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.
