Giáo trình Kỹ thuật Truyền tải Điện Siêu Cao áp AC của Rakosh Das Begamudre (IIT Kanpur)

• Tác giả: Rakosh Das Begamudre
• Trường học: Indian Institute of Technology Kanpur
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Kỹ thuật truyền tải điện AC siêu cao thế
• Loại tài liệu: Sách tham khảo
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: New Delhi

Tóm tắt

I. Tổng quan về kỹ thuật truyền tải điện áp siêu cao AC

Kỹ thuật truyền tải điện áp siêu cao AC (Extra High Voltage AC Transmission Engineering) là lĩnh vực then chốt trong ngành điện lực hiện đại. Mảng kỹ thuật này nghiên cứu toàn diện các hệ thống truyền tải điện xoay chiều ở mức điện áp từ 220 kV trở lên. Phạm vi bao gồm tính toán thông số đường dây, thiết kế cấu hình, và các giải pháp kỹ thuật đi kèm. Cuốn sách nổi tiếng của Rakosh Das Begamudre, xuất bản bởi New Age International, là tài liệu tham khảo chuẩn mực cho lĩnh vực này. Tác giả có hơn 35 năm kinh nghiệm tại các tổ chức uy tín như Viện Nghiên cứu Quốc gia Canada và Viện Nghiên cứu Trung tâm Điện lực Bangalore. Nội dung sách phục vụ cho đào tạo kỹ sư bậc đại học và sau đại học. Kỹ thuật truyền tải EHV đóng vai trò quyết định đối với công nghiệp hóa ở các nước đang phát triển. Việc truyền tải công suất lớn qua khoảng cách xa đòi hỏi mức điện áp cao hơn. Điều này giúp giảm dòng điện truyền tải và tổn thất trên đường dây một cách đáng kể.

1.1. Định nghĩa và phạm vi nghiên cứu EHV AC

Extra High Voltage (EHV) đề cập đến các mức điện áp từ 220 kV đến 800 kV trong hệ thống truyền tải điện xoay chiều. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tính toán các thông số đường dây cơ bản như điện trở, điện cảm, điện dung. Các yếu tố này quyết định đặc tính truyền tải của đường dây. Ngoài ra, lĩnh vực này còn nghiên cứu cấu hình đường dây, cách chọn dây dẫn phù hợp. Mục tiêu chính là truyền tải công suất lớn nhất với tổn thất thấp nhất. Kỹ thuật EHV cũng bao gồm nghiên cứu hiện tượng phóng điện, can nhiễu điện từ và các vấn đề cách điện.

1.2. Vai trò của EHV trong hệ thống điện quốc gia

Hệ thống truyền tải EHV đóng vai trò xương sống của lưới điện quốc gia. Các đường dây 400 kV và 750 kV kết nối các nhà máy phát điện với trung tâm phụ tải lớn. Một mạch 750 kV có thể truyền tải công suất tương đương bốn mạch 400 kV. Điều này giúp tiết kiệm đất đai cho hành lang đường dây. Việc nâng cấp lên mức điện áp cao hơn là xu hướng tất yếu. Nó phục vụ nhu cầu công nghiệp hóa và phát triển kinh tế bền vững. Nhiều quốc gia ưu tiên phát triển nội lực kỹ thuật trong nước.

II. Các thách thức kỹ thuật trong truyền tải EHV AC

Truyền tải điện áp siêu cao đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Tổn thất công suất do dòng điện chạy qua điện trở dây dẫn là vấn đề hàng đầu. Hiện tượng nóng dây dẫn làm tăng điện trở, tạo thành vòng lặp tổn thất. Điện áp đường dây thay đổi theo tải, đòi hỏi hệ thống điều khiển phức tạp. Chi phí điều khiển điện áp trong hệ thống EHV rất cao. Tụ bù song song cung cấp công suất phản kháng dung cho hệ thống. Tuy nhiên, cần bổ sung bù cảm biến để xử lý biến động tải. Tụ bù phản kháng tĩnh điều khiển bằng thyristor (TCR) gây ra sóng hài không mong muốn. Các sóng hài này tiêm vào đường dây, ảnh hưởng xấu đến thiết bị. Thiết bị tín hiệu và thông tin liên lạc có thể hoạt động sai lệch. Các vấn đề này đòi hỏi giải pháp kỹ thuật toàn diện và đồng bộ.

2.1. Tổn thất điện năng và vấn đề nhiệt đường dây

Tổn thất điện năng trên đường dây EHV tỷ lệ với bình phương dòng điện và điện trở. Khi tải tăng, dây dẫn nóng lên, điện trở tăng theo. Điều này tạo ra chu trình tổn thất liên tục. Bảo toàn năng lượng là ưu tiên quan trọng trong thiết kế hiện đại. Sử dụng điện áp cao hơn giúp giảm dòng điện truyền tải đáng kể. Kết hợp với dây dẫn bó giảm điện trở hiệu quả. Điều này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn kéo dài tuổi thọ thiết bị. Quản lý nhiệt đường dây là yếu tố quyết định độ tin cậy hệ thống.

2.2. Điều khiển điện áp và bù công suất phản kháng

Điều khiển điện áp trong hệ thống EHV là vấn đề tốn kém. Tụ bù song song cung cấp công suất phản kháng dung biến đổi theo tải. Từ không tải đến tải đầy, nhu cầu công suất phản kháng thay đổi lớn. TCR (Thyristor Controlled Reactor) cung cấp bù cảm biến linh hoạt. TCR còn được gọi là Hệ thống VAR Tĩnh (Static VAR Systems). Nhược điểm lớn là sinh ra sóng hài tiêm vào lưới. Cần thiết kế bộ lọc sóng hài phù hợp để giới hạn ô nhiễm sóng hài. Giải pháp kết hợp nhiều loại bù là xu hướng phổ biến hiện nay.

III. Giải pháp kỹ thuật cho truyền tải điện áp siêu cao

Các giải pháp kỹ thuật cho truyền tải EHV đa dạng và tinh vi. Thiết kế cấu hình đường dây là bước quan trọng đầu tiên. Nhiều cấu hình được sử dụng trên toàn cầu tùy điều kiện địa hình. Đường dây mạch đơn (S/C) và mạch kép (D/C) phổ biến nhất. Cấu hình ngang, hình L, hình tam giác đều có ưu nhược riêng. Dây dẫn bó (bundled conductors) là giải pháp then chốt cho EHV. Dây dẫn bó giảm điện trở, giảm điện dung, giảm gradient điện áp bề mặt. Điều này hạn chế hiện tượng quầng điện (corona) và tổn thất điện. Tính toán chính xác thông số đường dây là nền tảng thiết kế. Điện cảm, điện dung, điện trở cần được xác định theo ma trận. Các phương pháp tính toán đa dẫn thể được áp dụng phổ biến. Hệ thống bù tĩnh và bộ lọc hài hoàn thiện giải pháp kỹ thuật tổng thể.

3.1. Cấu hình đường dây và lựa chọn dây dẫn bó

Cấu hình đường dây EHV đa dạng tùy theo quốc gia và điều kiện kỹ thuật. Các cấu hình phổ biến gồm ngang, hình L, tam giác, và mạch kép. Đường dây 400 kV thường dùng cấu hình ngang với ba pha. Đường dây 750 kV và 1200 kV yêu cầu cấu hình phức tạp hơn. Dây dẫn bó gồm nhiều dây dẫn nhỏ ghép lại mỗi pha. Số lượng dây dẫn trong bó tăng theo mức điện áp. Dây dẫn bó giảm gradient điện áp bề mặt, hạn chế corona. Nó cũng giảm điện cảm và tăng công suất truyền tải. Lựa chọn dây dẫn bó tối ưu phụ thuộc vào phân tích kinh tế kỹ thuật.

3.2. Hệ thống bù tĩnh và giải pháp lọc sóng hài

Hệ thống VAR Tĩnh (Static VAR System) là giải pháp bù công suất phản kháng hiện đại. TCR kết hợp với tụ bù tạo thành hệ thống bù linh hoạt. Hệ thống đáp ứng nhanh biến động tải, duy trì điện áp ổn định. Tuy nhiên, TCR sinh ra sóng hài bậc lẻ vào lưới điện. Sóng hài gây hại cho thiết bị đo lường và thông tin liên lạc. Bộ lọc sóng hài thụ động (LC filter) được lắp đặt để hấp thụ sóng hài. Thiết kế bộ lọc cần tối ưu cho nhiều bậc sóng hài đồng thời. Công nghệ bù đồng bộ (STATCOM) là giải pháp tiên tiến hơn, giảm thiểu sóng hài.

IV. Xu hướng phát triển và ứng dụng thực tế EHV AC

Xu hướng phát triển truyền tải EHV AC hướng đến mức điện áp cao hơn. Các quốc gia phát triển đang nghiên cứu hệ thống 1200 kV. Đường dây 1200 kV truyền tải công suất gấp nhiều lần so với 400 kV. Tuy nhiên, chi phí đầu tư và nhập khẩu thiết bị rất lớn. Nhiều nước chọn phương án nâng cấp dần từ 400 kV lên cao hơn. Sử dụng nội lực kỹ thuật trong nước là chính sách quan trọng. Thiết kế đường dây cần tính đến tiết kiệm đất đai cho hành lang. Đường dây mạch kép (D/C) giúp giảm diện tích chiếm dụng. Tính toán thông số đường dây chính xác là nền tảng thiết kế hiệu quả. Ứng dụng thực tế bao gồm truyền tải liên vùng, liên quốc gia. Tương lai của EHV AC gắn liền với phát triển năng lượng tái tạo. Các nguồn năng lượng tái tạo xa trung tâm phụ tải cần đường dây EHV dài.

4.1. Các mức điện áp phổ biến và xu hướng nâng cấp

Mức điện áp 400 kV là phổ biến nhất trong truyền tải EHV hiện nay. Nhiều quốc gia đã làm chủ công nghệ ở mức này. Mức 750 kV được áp dụng ở một số nước công nghiệp phát triển. Đường dây 750 kV truyền tải công suất gấp bốn lần 400 kV. Dự án 1200 kV đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm. Xu hướng nâng cấp điện áp đòi hỏi đầu tư lớn về công nghệ. Nhiều nước chọn giải pháp bốn mạch 400 kV thay vì một mạch 750 kV. Điều này tận dụng kinh nghiệm và công nghệ sẵn có trong nước.

4.2. Ứng dụng truyền tải EHV trong hệ thống điện hiện đại

Truyền tải EHV phục vụ kết nối nhà máy phát điện lớn với trung tâm phụ tải. Các nhà máy nhiệt điện, thủy điện thường ở xa thành phố lớn. Đường dây EHV truyền tải công suất hàng nghìn MW qua hàng trăm km. Hệ thống EHV cũng phục vụ truyền tải liên quốc gia, liên vùng. Năng lượng tái tạo như gió,太阳能 cần đường dây EHV để kết nối lưới. Ứng dụng trong khai thác mỏ, công nghiệp nặng đòi hỏi nguồn điện ổn định. EHV là nền tảng cho lưới điện thông minh và hệ thống điện tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

com https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt This page intentionally left blank CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt NEW AGE INTERNATIONAL (P) LIMITED, PUBLISHERS New Delhi · Bangalore · Chennai · Cochin · Guwahati · Hyderabad Jalandhar · Kolkata · Lucknow · Mumbai · Ranchi PUBLISHING FOR ONE WORLD Visit us at www.com https://fb.com/tailieudientucntt Copyright © 2006, 1990, 1986, New Age International (P) Ltd., Publishers Published by New Age International (P) Ltd., Publishers All rights reserved. No part of this ebook may be reproduced in any form, by photostat, microfilm, xerography, or any other means, or incorporated into any information retrieval system, electronic or mechanical, without the written permission of the publisher. All inquiries should be emailed to [e-mail] ISBN (13) : 978-81-224-2481-2 PUBLISHING FOR ONE WORLD NEW AGE INTERNATIONAL (P) LIMITED, PUBLISHERS 4835/24, Ansari Road, Daryaganj, New Delhi - 110002 Visit us at www.com https://fb.com/tailieudientucntt To My Mother and Sister both brave women who fought and won over their common enemy ‘cancer’ in their seventies and sixties to give hope to younger generation of their sex, this book is lovingly dedicated.com https://fb.com/tailieudientucntt This page intentionally left blank CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Foreword It gives me pleasure to write the foreword to the book 'Extra High Voltage A. Transmission Engineering' authored by Rakosh Das Begamudre, Visiting Professor in Electrical Engineering at the Indian Institute of Technology, Kanpur. The field of e. is a very growing and dynamic one on which depends to a large measure the industrial growth of a developing country like ours. A course in this subject is offered for advanced under-graduate and postgraduate students, and the Institute also organized a short-term course for teachers in other learned institutions and practising engineers in India under the Quality Improvement Programme. With a background of nearly 35 years in this area in India, Japan, U. and Canada in teaching, design, research, and development, I consider Dr. Begamudre one of the ablest persons to undertake the task of writing a book, placing his wide experience at the disposal of younger engineers. He has worked at notable institutions such as the National Research Council of Canada and the Central Power Research Institute, Bangalore, and several other places. His publications in the field of e. transmission are numerous and varied in extent. Kanpur offered him Visiting Professorship and I am delighted to introduce the book by him to learned readers in this important field. It is not only a worthy addition to the technical literature in this topic but also to the list of text books published in India. SAMPATH Director Indian Institute of Technology Kanpur CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt This page intentionally left blank CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Preface to the Third Edition It is nearly a decade since the publication of the Second Edition of this text-reference book authored by me and needs a revision. No significant developments have taken place in the basic theory and principles of e. transmission engineering, except for increase in transmission-voltage levels, cables, magnitudes of power-handling capabilities, as well as of course the cost of equipment and lines. But two problems that need mentioning are: (1) harmonics injected into the system by modern extensive use and developments in Static VAR systems which have an effect on control and communication systems; and (2) effect on human health due to magnetic fields in the vicinity of the e. transmission line corridor. The first one of these is a very advanced topic and cannot be included in a first text on e. transmission engineering, as well as several other topics of a research nature fit for graduate-level theses and dissertations. The second topic is considered important enough from epidemiological point of view to necessitate elaboration. Thus a new addition has been made to Chapter 7 under the title: Magnetic Field Effects of E. Since the date of publication of the first edition, the I. in New York has thought it fit to introduce an additional transactions called I. Transactions on Power Delivery. The author has expanded the list of references at the end of the text to include titles of significant technical papers pertaining to transmission practice. The author wishes to acknowledge the encouragement received from Sri. Damodaran, Production Editor, New Age International (P) Ltd., for revising this text-reference book and preparation of the Third Edition. Vancouver, British Columbia, Canada.com https://fb.com/tailieudientucntt This page intentionally left blank CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Preface to the First Edition Extra High Voltage (EHV) A. transmission may be considered to have come of age in 1952 when the first 380–400 kV line was put into service in Sweden. Since then, industrialized countries all over the world have adopted this and higher voltage levels. Very soon it was found that the impact of such voltage levels on the environment needed careful attention because of high surface voltage gradients on conductors which brought interference problems from power frequency to TV frequencies. Thus electrostatic fields in the line vicinity, corona effects, losses, audible noise, carrier interference, radio interference and TVI became recognized as steady- state problems governing the line conductor design, line height, and phase-spacing to keep the interfering fields within specified limits. The line-charging current is so high that providing synchronous condensers at load end only was impractical to control voltages at the sending-end and receiving-end buses. Shunt compensating reactors for voltage control at no load and switched capacitors at load conditions became necessary. The use of series capacitors to increase power- handling capacity has brought its own problems such as increased current density, temperature rise of conductors, increased short-circuit current and subsynchronous resonance. All these are still steady-state problems. However, the single serious problem encountered with e. voltage levels is the overvoltages during switching operations, commonly called switching-surge overvoltages. Very soon it was found that a long airgap was weakest for positive polarity switching-surges. The coordination of insulation must now be based on switching impulse levels (SIL) and not on lightning impulse levels only. From time to time, outdoor research projects have been established to investigate high- voltage effects from e. lines to place line designs on a more scientific basis, although all variables in the problem are statistical in nature and require long-term observations to be carried out. Along with field data, analysis of various problems and calculations using the Digital Computer have advanced the state of the art of e. line designs to a high level of scientific attainment. Most basic mechanisms are now placed on a firm footing, although there is still an endless list of problems that requires satisfactory solution. During his lecturing career for undergraduate and postgraduate classes in High Voltage A. Transmission the author was unable to find a text book suitable for the courses. The existing text books are for first courses in High Voltage Engineering concentrating on breakdown phenomena of solid, liquid, gaseous and vacuum insulation, together with high voltage laboratory and measurement techniques. On the other hand, reference books are very highly specialized which deal with results obtained from one of the outdoor projects mentioned earlier. To bridge CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt xii Preface the gap, this text-reference book for a course in EHV A. Transmission is presented. The material has been tried out on advanced undergraduate and post-graduate courses at the I. Kanpur, in special short-term courses offered to teachers in Universities and practising engineers through the Quality Improvement Programme, and during the course of his lectures offered at other Universities and Institutes. Some of the material is based on the author's own work at reputed research and development organizations such as the National Research Council of Canada, and similar organizations in India and at Universities and Institutes, over the past 25 years. But no one single person or organization can hope to deal with all problems so that over the years, the author's notes have grown through reference work of technical and scientific journals which have crystallized into the contents of the book. It is hoped that it will be useful also for engineers as well as scientists engaged in research, development, design, and decision- making about e. Acknowledgements The preparation of such a work has depended on the influence, cooperation and courtesy of many organizations and individuals. To start with, I acknowledge the deep influence which three of my venerable teachers had on my career—Principal Manoranjan Sengupta at the Banaras Hindu University, Professor Dr. Shigenori Hayashi at the Kyoto University, Japan, and finally to Dean Loyal Vivian Bewley who exercised the greatest impact on me in the High Voltage field at the Lehigh University, Bethlehem, Pennsylvania, USA. To the Council and Director of the I. Kanpur, I am indebted for giving me a Visiting Professorship, to Dr. Prabhu, the Head of EE Department, for constant help and encouragement at all times. To the coordinator, Q. Ghosh, I owe the courtesy for defraying the expense for preparation of the manuscript. To the individuals who have done the typing and drafting, I owe my thanks. My special thanks are due to Mr. Poplai, Publishing Manager, Wiley Eastern Publishing Company, for his cooperation and tolerence of delays in preparing the manuscript. Thanks finally are due to my colleagues, both postgraduate students and professors, who have helped me at many stages of the work involved in preparing this book while the author was at the I. (formerly) Electrical Engineering Department RAKOSH DAS BEGAMUDRE Indian Institute of Technology Kanpur, U.com https://fb.com/tailieudientucntt Contents Foreword . vii Preface to the Third Edition . ix Preface to the First Edition . xi Chapter 1 Introduction to EHV AC Transmission .1 Role of EHV AC Transmission .2 Brief Description of Energy Sources and their Development .3 Description of Subject Matter of this Book . 4 Chapter 2 Transmission Line Trends and Preliminaries .1 Standard Transmission Voltages.2 Average Values of Line Parameters .3 Power-Handling Capacity and Line Loss .4 Examples of Giant Power Pools and Number of Lines .5 Costs of Transmission Lines and Equipment .6 Mechanical Considerations in Line Performance . 17 Chapter 3 Calculation of Line and Ground Parameters .1 Resistance of Conductors .2 Temperature Rise of Conductors and Current-Carrying Capacity .3 Properties of Bundled Conductors .4 Inductance of EHV Line Configurations .5 Line Capacitance Calculation .6 Sequence Inductances and Capacitances .7 Line Parameters for Modes of Propagation .8 Resistance and Inductance of Ground Return . 50 Chapter 4 Voltage Gradients of Conductors .2 Field of Sphere Gap .com https://fb.com/tailieudientucntt xiv Contents 4.3 Field of Line Charges and Their Properties .4 Charge-Potential Relations for Multi-Conductor lines .5 Surface Voltage Gradient on Conductors .6 Examples of Conductors and Maximum Gradients on Actual Lines .7 Gradient Factors and Their Use .8 Distribution of Voltage Gradient on Sub-conductors of Bundle .9 Design of Cylindrical Cages for Corona Experiments . 92 Appendix: Voltage Gradients on Conductors in the Presence of Ground Wires on Towers . 107 Chapter 5 Corona Effects—I : Power Loss and Audible Noise .1 I2R Loss and Corona Loss .2 Corona-Loss Formulae .3 Charge-Voltage (q–V) Diagram and Corona Loss .4 Attenuation of Travelling Waves Due to Corona Loss .5 Audible Noise: Generation and Characteristics .6 Limits for Audible Noise .7 AN Measurement and Meters .8 Formulae for Audible Noise and Use in Design .9 Relation Between Single-Phase and 3-Phase AN Levels .10 Day-Night Equivalent Noise Level.11 Some Examples of AN Levels from EHV Lines . 136 Chapter 6 Corona Effects—II : Radio Interference .1 Corona Pulses: Their Generation and Properties.2 Properties of Pulse Trains and Filter Response .3 Limits for Radio Interference Fields .4 Frequency Spectrum of the RI Field of Line .5 Lateral Profile of RI and Modes of Propagation .6 The CIGRE Formula .7 The RI Excitation Function .8 Measurement of RI, RIV, and Excitation Function .9 Measurement of Excitation Function .10 Design of Filter . 167 Chapter 7 Electrostatic and Magnetic Fields of EHV Lines .1 Electric Shock and Threshold Currents .2 Capacitance of Long Object .3 Calculation of Electrostatic Field of AC Lines .4 Effect of High E. Field on Humans, Animals, and Plants .com https://fb.com/tailieudientucntt Contents xv 7.5 Meters and Measurement of Electrostatic Fields .