Luận Văn Thạc Sĩ: Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn Bậc Cao Tính Toán Khả Năng Mang Dòng Cáp Ngầm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khả năng mang dòng của cáp ngầm bằng phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao, ứng dụng trong thiết bị mạng và nhà máy điện.

• Tác giả: Nguyễn Việt
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Phan Tú
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM - Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Tính toán khả năng mang dòng của cáp ngầm bằng phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ
• 1.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TỬ HỮU HẠN BẬC CAO THÍCH NGHỊ
• 2.1. LỊCH SỬ VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TỬ HỮU HẠN
• 2.2. CÁC BƯỚC CƠ BẢN CỦA FEM CHO LỜI GIẢI PDEs
• 2.3. HÀM NỘI SUY
• 3. CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA CÁP NGẦM
• 3.1. GIỚI THIỆU VỀ KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA CÁP NGẦM
• 3.2. PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT CỦA CÁP
• 3.3. CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA CÁP NGẦM
• 4. CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN TRƯỜNG NHIỆT VÀ KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA CÁP NGẦM
• 4.1. TÍNH TOÁN TRƯỜNG NHIỆT
• 4.2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT TRỞ SUẤT
• 5. CHƯƠNG V: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tổng quan

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc tính toán khả năng mang dòng của cáp ngầm bằng phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao. Đường dây truyền tải điện trên không có những hạn chế về diện tích và không gian, dẫn đến việc sử dụng cáp ngầm trong các khu vực đô thị và khu di tích. Tuy nhiên, cáp ngầm cũng có những thách thức về chi phí và khả năng mang tải, đặc biệt là ảnh hưởng của nhiệt độ. Phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao được sử dụng để tính toán trường nhiệt và khả năng mang tải của cáp ngầm, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong vận hành.

1.1. Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao thích nghi (hp-FEM) để tính toán trường nhiệt và khả năng mang tải của cáp ngầm cao áp. Các mô hình thực tế từ Tổng Công ty Điện lực TP.HCM được sử dụng để kiểm chứng kết quả. Phương pháp này so sánh với phương pháp phần tử biên (BEM) và dữ liệu thực tế theo tiêu chuẩn IEC 60287.

1.2. Điểm mới của đề tài

Đề tài này là một trong những nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao thích nghi trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Nó giải quyết giả thiết trong tiêu chuẩn IEC 60287 về ảnh hưởng của trường nhiệt giữa các sợi cáp. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để kiểm tra dữ liệu từ nhà sản xuất và hỗ trợ thiết kế, vận hành hệ thống cáp ngầm.

II. Phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao

Phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao (hp-FEM) là một công cụ mạnh mẽ trong phân tích kỹ thuật, đặc biệt trong việc giải các phương trình vi phân phức tạp. Phương pháp này bắt nguồn từ những nghiên cứu của Alexander Hrennikoff và Richard Courant, và được phát triển mạnh mẽ trong những năm 1950-1960. Phương pháp phần tử hữu hạn chia miền khảo sát thành các phần tử nhỏ, sử dụng hàm nội suy để mô tả hành vi của hệ thống.

2.1. Lịch sử phát triển

Phương pháp phần tử hữu hạn được phát triển từ nhu cầu giải quyết các vấn đề phức tạp trong kỹ thuật dân dụng và hàng không. Các nghiên cứu của John Argyris và Ray W. Clough đã đặt nền móng cho phương pháp này. Đến những năm 1970, phương pháp phần tử hữu hạn được khái quát hóa và áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm kỹ thuật điện và động lực học.

2.2. Các bước cơ bản

Quá trình áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn bao gồm các bước: chia miền khảo sát thành các phần tử, chọn hàm nội suy, thiết lập hệ thống phương trình, và giải hệ phương trình với các điều kiện biên. Hàm nội suy đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả hành vi của hệ thống, đặc biệt là các hàm nội suy bậc cao như Lagrange và Lobatto.

III. Khả năng mang tải của cáp ngầm

Khả năng mang tải của cáp ngầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm trường nhiệt xung quanh cáp và nhiệt độ vận hành cho phép. Khi cáp mang tải, một phần năng lượng tiêu hao dưới dạng nhiệt, ảnh hưởng đến khả năng mang tải. Phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao được sử dụng để tính toán trường nhiệt và đánh giá khả năng mang tải của cáp ngầm, đảm bảo an toàn trong vận hành.

3.1. Phương trình truyền nhiệt

Phương trình truyền nhiệt của cáp ngầm được sử dụng để mô tả sự phân bố nhiệt độ xung quanh cáp. Phương trình này là cơ sở để tính toán khả năng mang tải, đảm bảo cáp không bị quá tải do nhiệt độ cao. Phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao cho phép giải phương trình này một cách chính xác, đặc biệt trong các trường hợp phức tạp.

3.2. Ảnh hưởng của môi trường

Khả năng mang tải của cáp ngầm bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt trở suất của đất, nhiệt độ môi trường, và tốc độ gió. Phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao cho phép tính toán các yếu tố này một cách chi tiết, đảm bảo độ chính xác cao trong việc đánh giá khả năng mang tải.

IV. Tính toán trường nhiệt và khả năng mang tải

Tính toán trường nhiệt là bước quan trọng trong việc đánh giá khả năng mang tải của cáp ngầm. Phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao được sử dụng để mô phỏng trường nhiệt trong các điều kiện khác nhau, bao gồm cáp được chôn trực tiếp trong đất và cáp đặt trong hầm cáp. Kết quả tính toán được so sánh với dữ liệu thực tế và các phương pháp khác như phương pháp phần tử biên (BEM).

4.1. Mô hình hóa kỹ thuật

Các mô hình cáp ngầm được xây dựng để mô phỏng trường nhiệt trong các điều kiện khác nhau. Phương pháp phần tử hữu hạn bậc cao cho phép mô hình hóa các cấu trúc phức tạp, đảm bảo độ chính xác cao trong việc tính toán khả năng mang tải.

4.2. Kết quả và ứng dụng

Kết quả tính toán trường nhiệt và khả năng mang tải của cáp ngầm được sử dụng để kiểm tra dữ liệu từ nhà sản xuất và hỗ trợ thiết kế, vận hành hệ thống cáp ngầm. Nghiên cứu này cung cấp một công cụ mạnh mẽ cho các kỹ sư điện trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả của hệ thống cáp ngầm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển hạ tầng điện lực hiện đại, việc truyền tải điện năng qua cáp ngầm cao áp ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt tại các đô thị lớn và khu vực có mật độ dân cư cao. Theo ước tính, điện áp vận hành của cáp ngầm hiện đại có thể đạt tới 500kV AC và 800kV DC, đáp ứng nhu cầu truyền tải công suất lớn trong không gian hạn chế. Tuy nhiên, khả năng mang dòng của cáp ngầm bị giới hạn bởi hiện tượng quá nhiệt do tổn thất điện năng chuyển hóa thành nhiệt lượng trong quá trình vận hành. Việc tính toán chính xác trường nhiệt và khả năng mang dòng của cáp ngầm là yếu tố then chốt để đảm bảo vận hành an toàn, ổn định và hiệu quả của hệ thống điện.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng phương pháp Phân tử hữu hạn bậc cao thích nghi (hp-FEM) để tính toán phân bố trường nhiệt và khả năng mang tải của cáp ngầm cao áp trong trạng thái ổn định. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mô hình cáp 3 pha, mạch đơn và mạch đôi, được bố trí trong các môi trường đất đồng nhất và đa lớp, với các hình dạng miền khảo sát như hình chữ nhật và nửa hình tròn. Thời gian nghiên cứu tập trung vào giai đoạn từ đầu năm đến giữa năm 2011, với dữ liệu thực tế từ Tổng Công ty Điện lực TP.HCM.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp công cụ tính toán chính xác, hỗ trợ các công ty điện lực và tư vấn thiết kế trong việc đánh giá và tối ưu hóa khả năng mang dòng của cáp ngầm, từ đó nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành hệ thống truyền tải điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính:

1. Phương pháp Phân tử hữu hạn bậc cao thích nghi (hp-FEM): Đây là phương pháp số hiện đại, kết hợp giữa việc chia nhỏ miền tính toán (h-refinement) và tăng bậc đa thức nội suy (p-refinement) để đạt độ chính xác cao trong giải các phương trình vi phân riêng phần (PDEs). Hp-FEM cho phép mô hình hóa chi tiết trường nhiệt quanh cáp với độ chính xác vượt trội so với các phương pháp truyền thống như Phân tử hữu hạn bậc thấp hay Phân tử biên (BEM).

2. Mô hình truyền nhiệt và khả năng mang dòng của cáp ngầm: Dựa trên phương trình Poisson mô tả truyền nhiệt trong môi trường đất và các thành phần cấu tạo cáp, cùng với mô hình mạch nhiệt-điện tương đương theo tiêu chuẩn IEC 60287. Các khái niệm chính bao gồm nhiệt trở suất của các lớp vật liệu, tổn thất nhiệt trong lõi dẫn, vỏ bọc và điện môi, cũng như các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ môi trường và tốc độ gió.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng gồm: trường nhiệt (Thermal Field), khả năng mang dòng (Ampacity), nhiệt trở suất (Thermal Resistivity), tổn thất điện năng (Power Loss), và mô hình mạch nhiệt-điện tương đương.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các đường dây cáp ngầm cao áp 110kV thực tế của Tổng Công ty Điện lực TP.HCM, bao gồm thông số kỹ thuật cáp, điều kiện môi trường và dữ liệu vận hành. Phương pháp nghiên cứu gồm các bước:

• Xây dựng mô hình toán học truyền nhiệt của cáp ngầm dựa trên phương trình Poisson.
• Áp dụng phương pháp hp-FEM với thuật toán tạo lưới Delaunay thích nghi và hàm nội suy bậc cao (đến bậc 9) để giải bài toán trường nhiệt trong các miền khảo sát hình chữ nhật và nửa hình tròn.
• So sánh kết quả tính toán với phương pháp Phân tử biên (BEM) và dữ liệu thực tế theo tiêu chuẩn IEC 60287 để kiểm chứng độ chính xác.
• Phân tích ảnh hưởng của các tham số như nhiệt trở suất đất, nhiệt độ môi trường, bố trí cáp và các lớp vật liệu đến khả năng mang dòng của cáp.

Cỡ mẫu mô hình tính toán dao động từ vài trăm đến hơn 30.000 nút tùy theo bậc của hàm nội suy và độ phức tạp của mô hình. Phương pháp chọn mẫu dựa trên thuật toán Delaunay thích nghi nhằm tối ưu hóa mật độ lưới tại các vùng có biến đổi nhiệt độ lớn. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2011.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ chính xác của phương pháp hp-FEM tăng theo bậc hàm nội suy: Kết quả bài toán nhiệt chuẩn cho thấy sai số của lời giải bậc 6 giảm hơn 13.500 lần so với bậc 1, minh chứng cho hiệu quả vượt trội của hp-FEM trong mô phỏng trường nhiệt. Ví dụ, sai số bậc 1 là khoảng 2.15e-4, trong khi bậc 6 chỉ còn 2.48e-14.

2. Phân bố nhiệt độ không đồng đều trong cáp 3 pha: Nhiệt độ sợi cáp chính giữa cao hơn khoảng 4.67°C so với các pha bên cạnh do ảnh hưởng của trường nhiệt lân cận. Nhiệt độ trung bình của cáp chính giữa đạt khoảng 68°C trong mô hình đất đồng nhất.

3. Ảnh hưởng của hình dạng miền khảo sát và môi trường đất: Miền khảo sát hình chữ nhật và nửa hình tròn cho kết quả nhiệt độ cáp tương tự, với nhiệt độ trung bình cáp chính giữa khoảng 68-70°C. Môi trường đất đa lớp và có hầm cáp làm tăng nhiệt trở suất, giảm khả năng tản nhiệt và khả năng mang dòng của cáp.

4. So sánh với phương pháp Phân tử biên (BEM): Kết quả hp-FEM bậc cao cho độ chính xác cao hơn rõ rệt so với BEM, đặc biệt trong việc mô tả chi tiết phân bố nhiệt độ từng điểm trên cáp. BEM tương đương với lời giải hp-FEM bậc 1, có sai số lớn hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt nhiệt độ giữa các pha cáp là do hiện tượng tương tác nhiệt giữa các sợi cáp trong cùng một mạch, điều mà tiêu chuẩn IEC 60287 chưa xét đến khi giả định trường nhiệt của mỗi sợi cáp không bị ảnh hưởng bởi các sợi khác. Phương pháp hp-FEM với khả năng mô hình hóa chi tiết đã khắc phục được hạn chế này, giúp đánh giá chính xác hơn khả năng mang dòng thực tế.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp giải tích hoặc BEM, hp-FEM cho phép mô phỏng trường nhiệt phức tạp hơn, bao gồm các điều kiện môi trường đa lớp và hình học lắp đặt thực tế. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc thiết kế và vận hành hệ thống cáp ngầm, giúp tối ưu hóa bố trí và lựa chọn thông số kỹ thuật phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố nhiệt độ 3D, bảng so sánh sai số giữa các bậc hàm nội suy, và biểu đồ so sánh nhiệt độ cáp giữa các phương pháp tính toán, giúp trực quan hóa hiệu quả và độ chính xác của phương pháp hp-FEM.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng rộng rãi phương pháp hp-FEM trong thiết kế và quản lý vận hành cáp ngầm: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu là nâng cao độ chính xác tính toán khả năng mang dòng, thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các công ty điện lực và đơn vị tư vấn thiết kế.

2. Phát triển phần mềm tính toán dựa trên hp-FEM: Động từ "phát triển" nhằm tạo công cụ hỗ trợ kỹ sư trong việc mô phỏng trường nhiệt và khả năng mang dòng, timeline 1 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

3. Đào tạo chuyên sâu về phương pháp hp-FEM cho kỹ sư điện lực: Động từ "tổ chức" các khóa đào tạo và hội thảo, mục tiêu nâng cao năng lực chuyên môn, thời gian liên tục hàng năm, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành.

4. Cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành cáp ngầm: Động từ "cập nhật" nhằm tích hợp kết quả nghiên cứu mới vào tiêu chuẩn IEC và quy trình vận hành, timeline 2-3 năm, chủ thể là các cơ quan quản lý nhà nước và hiệp hội ngành điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế và tư vấn điện lực: Giúp hiểu rõ bản chất truyền nhiệt và khả năng mang dòng của cáp ngầm, từ đó thiết kế hệ thống phù hợp, giảm thiểu rủi ro quá nhiệt.

2. Nhà quản lý vận hành hệ thống điện: Cung cấp công cụ đánh giá và kiểm soát nhiệt độ vận hành cáp, đảm bảo an toàn và độ tin cậy của lưới điện.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành điện, cơ khí nhiệt: Là tài liệu tham khảo về ứng dụng phương pháp số hiện đại trong mô phỏng truyền nhiệt và tính toán khả năng mang dòng.

4. Các nhà sản xuất và nhà thầu thi công cáp ngầm: Hỗ trợ kiểm chứng và tối ưu hóa thông số kỹ thuật, nâng cao chất lượng sản phẩm và thi công.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp hp-FEM có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Hp-FEM kết hợp ưu điểm của việc chia nhỏ lưới và tăng bậc đa thức nội suy, giúp đạt độ chính xác cao hơn nhiều so với FEM bậc thấp hay BEM, đồng thời giảm thời gian tính toán nhờ lưới thích nghi.

2. Tại sao cần tính toán trường nhiệt của cáp ngầm?
   Trường nhiệt phản ánh sự phân bố nhiệt độ trong và xung quanh cáp, giúp xác định khả năng mang dòng tối đa mà không gây quá nhiệt, đảm bảo an toàn và tuổi thọ cáp.

3. Ảnh hưởng của môi trường đất đến khả năng mang dòng của cáp như thế nào?
   Đặc tính nhiệt của đất, như nhiệt trở suất, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tản nhiệt của cáp. Đất có nhiệt trở suất cao làm giảm khả năng tản nhiệt, dẫn đến nhiệt độ cáp tăng và giảm khả năng mang dòng.

4. Phương pháp hp-FEM có thể áp dụng cho các loại cáp khác nhau không?
   Có, hp-FEM linh hoạt trong mô hình hóa các cấu trúc cáp khác nhau, bao gồm cáp 1 mạch, 2 mạch, bố trí 3 pha hình tam giác hoặc nằm ngang, phù hợp với nhiều điều kiện thực tế.

5. Kết quả nghiên cứu có thể hỗ trợ gì cho việc vận hành lưới điện?
   Kết quả giúp dự báo chính xác nhiệt độ vận hành, từ đó điều chỉnh tải, bảo trì và thiết kế hệ thống phù hợp, giảm thiểu sự cố do quá nhiệt và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Kết luận

• Phương pháp Phân tử hữu hạn bậc cao thích nghi (hp-FEM) đã được phát triển và ứng dụng thành công trong tính toán trường nhiệt và khả năng mang dòng của cáp ngầm cao áp.
• Kết quả tính toán cho thấy độ chính xác vượt trội so với các phương pháp truyền thống, đặc biệt trong mô hình hóa chi tiết trường nhiệt và ảnh hưởng tương tác giữa các sợi cáp.
• Nghiên cứu đã khảo sát đa dạng mô hình cáp và môi trường đất, cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho thiết kế và vận hành hệ thống cáp ngầm.
• Đề xuất áp dụng rộng rãi hp-FEM trong ngành điện lực nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống truyền tải điện.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển phần mềm chuyên dụng, đào tạo nhân lực và cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan.

Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích nghiên cứu sâu hơn và ứng dụng kết quả luận văn vào thực tiễn nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả vận hành hệ thống cáp ngầm điện lực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Tổng quan LL. Giới thiệu vấn đề .-- SG cskS1vvSvT 1 112111 1111111 1H11 gen rkg 05 I2. Pham vi nghiên cứu và điểm mới của dé tài. Phạm vi nghiÊn CỨU.

Điểm mới của để. 08 Chương II: Phương pháp phân tử hữu hạn bậc cao thích nghỉ II. Lịch sử về phương pháp phan tử hữu hạn. Các bước cơ bản của FEM cho lời giải PIDES.

Su rOd con ad. Lựa chon ham nỘi SUY. Thanh lập hệ thống phương trình ccc ceeseeeseseseseseeseseseeeeeeeeee 12 [I. Hàm nội SUY .-- ¿555cc tt 2E 2v tre 17 11.

Xây dựng hàm nỘIi SUY. Phan tử tuyến tính.---¿- - 25c S++E SE tEEEeEerrrerrxrrerred 19 II. Phần tử bậc 2.--G- cs k1 v11 21111 51118151111 1e xrerrei 20 II. Phần tử bậc 3.

Gv 11121111 5111115111 xe rrerrei 20 IL. Phép tích phân số OC. - G3 519121 1E 3919191 3E 112v 1g vn ng ng re 24 I0. Khái niệm về pp Phan tử hữu hạn bậc cao (p-FEM|) .- cọ nọ nọ kh 26 II8.

Ví dụ bài toán nhiệt chuẩn (Benchmark thermal problem). 29 Page 3 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG MANG DONG CUA CAP NGAM BẰNG PHƯƠNG PHAP PHAN TỬ HỮU HAN BAC CAO Chương II: Giới thiệu về khả năng mang tải của cáp ngẫm III. Giới thiệu về kha năng mang tải của cáp ngầm. Phương trình truyền nhiệt của cáp.

Các bước tính toán khả năng mang tải của cáp ngầm.---------5- 36 Chương IV: Tinh toán trường nhiệt va khả năng mang tải của cấp ngẫm IV. Tính toán trường nhiÄỆ(. Cáp 3 pha, 01 mach, bố trí năm ngang được chôn trực tiếp trong dat đồng nhất. Miền không gian khảo sát là hình chữ nhật.

Miền không gian khảo sát là nữa hình tròn. Cáp 3 pha, 01 mạch, bồ trí năm ngang được đặt trong hầm cáp. Cáp 3 pha, 02 mạch, bố trí năm ngang được chôn trực tiếp trong đất đồng nhất. Miền không gian khảo sát là hình chữ nhật.

Miền không gian khảo sát là nữa hình tròn. Cáp 3 pha, 02 mạch, bồ trí nam ngang được đặt trong hầm cáp.Khảo sát các yêu tố ảnh hưởng đến khả năng mang tai của cáp. Ảnh hưởng của nhiệt trở suất.------ + 2 2< 522s+E+E2£2£EzE£tseerrsred 62 IV. Ảnh hưởng của nhiệt trở suất của hầm cáp.

Ảnh hưởng của nhiệt trở suất của nắp hầm cáp. Ảnh hưởng của nhiệt trở suất của lớp đất tự nhiên. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường. Ảnh hưởng của tốc độ giÓ.---- - ¿©2222 2x2EE2EEeErkrkerkrerreee 70 Chương V: Kt WA 00.

72 Tài liệu tham Khao. - 7 55c << << <0 0018313111111 1111111111111 1n ru 75 Danh sách các ký hiỆu. (<< 9990000 78 Danh sách các hình. - - - << << s 9999999990000 ke 79 Danh sách các bảng ,.- - ng 32 Page 4 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG MANG DONG CUA CAP NGAM BẰNG PHƯƠNG PHAP PHAN TỬ HỮU HAN BAC CAO CHUONG I TONG QUAN 1.

GIỚI THIEU VAN DE Đường day truyền tải điện trên không được xem như là một giải pháp truyền thống dé truyền tải điện năng đi xa với công suất lớn. Trên thế giới, hiện nay cấp điện áp truyền tải lớn nhất của đường dây trên không là 1,125kV. Tuy nhiên, van dé hạn chế lớn nhất của đường dây trên không là chiếm nhiều diện tích đất đai và khoảng không gian rộng lớn cho hành lang an toàn lưới điện. Để khắc phục nhược điểm này, trong một số trường hợp không sử dụng đường dây trên không mà phải sử dụng đường cáp ngâm cao áp đê truyền tải điện năng.

Đối với cáp ngầm vận hành ở điện áp cao phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ chế tạo vật liệu cách điện. Hiện nay, trên thế giới đã sản xuất được cáp ngầm cách điện XLPE vận hành với điện áp AC 500kV và điện ap DC 800kV. Một số lý do chính mà người ta cần sử dụng đường cáp ngâm như sau: - Bao tồn cảnh quan của thành phó, công viên, khu di tích lịch su,. - Bao đảm cung cấp điện an toàn, liên tục cho những khu vực có mật độ sử dụng điện cao.

- Những khu vực không thích hợp cho việc xây dựng đường dây trên không đồng thời phải bảo đảm nghiêm ngặt về tiêu chuẩn an toản. Tuy nhiên, đối với đường cáp ngầm truyền tải điện cao áp cũng có một số khiếm khuyết trong quá trình đầu tư xây dựng và quản lý vận hành như sau: = Chi phí đầu tư xây dựng khá lớn so với chi phí xây dựng đường dây truyền tải điện trên không, ước tính chi phí đầu tư gap từ 4-5 lần. = Việc sửa chữa đường cáp điện ngầm khi xảy ra sự có rất phức tạp va mat nhiều thời gian thực hiện, nhằm phục hồi vận hành. Page 5 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG MANG DONG CUA CAP NGAM BẰNG PHƯƠNG PHAP PHAN TỬ HỮU HAN BAC CAO = Ảnh hưởng đến các chế độ vận hành của hệ thống điện khi thao tác đóng ngắt đường cáp điện ngầm vào lưới điện quốc gia.

= Đặc biệt là khả năng mang tải của cáp ngầm, bị giới hạn do ảnh hưởng bởi nhiệt độ phát nóng của cáp và môi trường xung quanh cáp trong quá trình vận hành. Chính vì những lý do trên, việc vận hành một hệ thống cáp ngầm bảo đảm độ tin cậy cao, an toàn va ôn định luôn là sự mong đợi và ưu tiên hàng đầu của các Công ty Điện lực. Xét về khía cạnh kỹ thuật, việc tính toán trường nhiệt (Thermal Field) của cáp ngầm là cơ sở cho việc tính toán khả năng mang dòng cho phép làm việc lâu dải của cáp (Cables Ampacity) nhằm bao đảm hệ thống cáp vận hành an toàn, không bị quá tải do quá nhiệt và đó cũng chính là nhiệm vụ vô cùng quan trọng của các Công ty Điện lực trong công tác thiết kế cũng như quản lý vận hành hệ thống cáp ngầm đó. Như chúng ta đã biết, để phân tích một hệ thông kỹ thuật thì mô hình toán học tương ứng được xây dựng để diễn tả hệ thống đó; như vậy việc xây dựng mô hình toán học để mô tả hành vi nhiệt của cáp ngầm cũng phải được xem xét một cách tỉ mỹ, để bảo đảm răng kết quả tính toán là chính xác.

Trong quá trình xây dựng mô hình toán đó, một số giả thiết được đặt ra để đơn giản hóa thủ tục tính toán. Những mô hình toán này thông thường chứa những phương trình vi phân cùng với các điều kiện ràng buộc của chúng. Với lời giải - giải tích, rất khó để có thể đạt được độ chính xác cao, đồng thời có thể mô tả đầy đủ hành vi của hệ thống, nhất là đối với các hệ thống được mô tả bang những phương trình vi phân phức tạp. Tuy nhiên, cùng với khả năng tính toán nhanh chóng và chính xác của các hệ thống máy tính ngày cảng cao, thì các phương pháp toán số cũng được phát triển để tìm các lời giải xap xỉ nhưng khá chính xác của các phương trình vi phân phức tạp này.

Hiện nay trên thế giới, một số phương pháp toán số đang phát triển mạnh như: Phương pháp Sai phân hữu hạn (FDM — Finite Difference Methods), Phương pháp Phan tử biên (BEM — Boundary Element Methods), Phương pháp Thể tích hữu hạn Page 6 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG MANG DONG CUA CAP NGAM BẰNG PHƯƠNG PHAP PHAN TỬ HỮU HAN BAC CAO (FVM - Finite Volume Methods), Phương pháp Phan tử hữu hạn (FEM - Finite Element Methods), Phương pháp Lưới tự do (MFree — Mesh Free Methods). Cac phương pháp này ngày càng thể hiện sự vượt trội, đó là những công cụ tính toán hiện đại, mạnh mẽ, độ chính xác cao, có khả năng giải quyết các vẫn đề phức tạp một cách nhanh chóng mà đối với phương pháp giải tích cỗ điển sẽ gặp khó khăn hoặc thậm chí không thé tìm được lời giải. Đề tính toán khả năng mang dòng của cáp ngầm, có hai phương pháp đã được các kỹ sư cũng như các nhà nghiên cứu sử dụng: Phương pháp giải tích và Phương pháp số hiện đại như đã nêu trên. Ngày nay, phương pháp giải tích vẫn được sử dụng và hai hiệp hội tiêu chuẩn quốc tế lớn nhất trên thế giới là IEEE và IEC đã chấp nhận phương pháp giải tích là phương pháp cơ sở của họ.

Ngoài ra, khả năng mang dòng của cáp được tính toán theo phương pháp số hiện đại chủ yếu dựa trên FDM, FEM. Đặc biệt là Phương pháp phan tử hữu hạn bậc cao thích nghi hp- FEM được sử dụng rộng rãi do tính thích nghi cao của nó đối với nhiều dạng cầu trúc lắp đặt hình học của các sợi cáp (3 pha nằm ngang mạch đơn, mạch đôi, 3 pha hình tam giác mạch đơn, mạch đôi. Thông thường, khi cáp mang tải, sẽ có một phần năng lượng trong cáp tiêu hao dưới dạng nhiệt (tốn thất năng lượng qua điện trở nội sợi cáp). Nguồn nhiệt này sẽ truyền từ lõi dẫn của cáp ra môi trường xung quanh cáp.

Nếu như môi trường đất và các vật liệu xung quanh cáp có độ dẫn nhiệt kém thì nhiệt lượng tỏa ra từ cáp sẽ được truyền đi với hiệu quả kém. Điều này có thể dẫn đến hậu quả là làm cho nhiệt độ của sợi cáp ngày càng tăng cao, dẫn đến giảm khả năng mang dòng tải của cáp, thậm chí là gây sự có phá hủy lớp cách điện cáp do quá nhiệt. Do vay, khả năng mang dòng của cáp ngầm, phụ thuộc phan lớn vào đặc tính nhiệt cua môi trường xung quanh sợi cáp và nhiệt độ vận hành cho phép của cáp. Chính vì lẽ đó, tính toán phân bố trường nhiệt gây ra bởi tốn thất trong cáp ngầm là điều hết sức can thiết để từ đó làm cơ sở tính toán chính xác khả năng mang tai của cáp ngầm, bao đảm cho đường dây truyền tai cáp ngầm vận hành an toàn, ôn định trong việc cấp điện cho phụ tải.

Page 7 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG MANG DONG CUA CAP NGAM BẰNG PHƯƠNG PHAP PHAN TỬ HỮU HAN BAC CAO Thấy được ưu điểm nỗi bật của phương pháp số, sự cần thiết của việc tính toán phân bố trường nhiệt quanh sợi cáp, từ đó có thé tính toán chính xác khả năng mang tải của đường dây truyền tải điện cáp ngầm cao áp là những lý do để luận văn này tìm hiêu, nghiên cứu và thực hiện. PHAM VI NGHIÊN CỨU VA DIEM MỚI CUA DE TÀI L2. Phạm vi nghiên cứu: Trong khuôn khổ của luận văn này, chúng tôi tập trung vào việc sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn bậc cao thích nghi (Adaptive Higher-Order Finite Element Method _ hp-FEM) trong việc tính toán phân bố trường nhiệt và khả năng mang tải của cáp ngầm cao áp trong trạng thái 6n định.