Luận Văn Thạc Sĩ Về Mô Hình và Mô Phỏng Cáp Điện Trong Trạng Thái Quá Độ

Luận văn thạc sĩ trình bày xây dựng mô hình và mô phỏng cáp trong trạng thái quá độ, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Trương Thị Họa My
• Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh
• Trường học: Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Mô Hình và Mô Phỏng Cáp Điện Trong Trạng Thái Quá Độ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.3. Đối tượng và mục đích đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO CÁP NGẦM CAO THẾ
• 2.1. Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm cao thế với cách điện XLPE
• 2.2. Các kĩ thuật chôn cáp trực tiếp trong đất
• 2.3. Lợi ích của việc sử dụng cáp ngầm cho hệ thống truyền tải cao áp
• 2.4. Mô hình toán học cho cáp ngầm cao thế
• 2.4.a. Trở kháng
• 2.4.b. Hệ số điện áp
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN QUÁ ĐỘ
• 3.1. Lý thuyết về quá độ
• 3.2. Quá độ điện từ
• 3.2.1. Sóng quá độ dạng sóng xung
• 3.2.2. Sóng quá độ dạng sóng dao động
• 3.3. Quá độ xảy ra trong thời gian ngắn
• 3.4. Một số hiện tượng quá độ trong hệ thống điện
• 3.4.1. Quá độ khi đóng máy biến áp không tải
• 3.4.2. Quá độ khi đóng trạm tụ bù
• 3.5. Các phương pháp giải quyết bài toán quá độ
• 3.5.1. Phương pháp Bergeron
• 3.5.1.1. Đặc tính cơ sở
• 3.5.1.3. Quy tắc hình thang
• 3.6. Phương pháp giảm thiểu dao động số
• 3.6.1. Khởi tạo điều kiện ban đầu
• 3.6.2. Biến đổi toán học
• 3.6.2.a. Biến đổi Laplace trong trạng thái đóng
• 3.6.2.b. Phương pháp biến đổi Taylor
• 3.6.2.c. Phép tính xấp xỉ số hữu tỉ
• 3.6.2.d. Phương pháp biến đổi hình thang phép tích phân
• 3.7. Lý thuyết về ổn định
• 3.7.1. Ổn định tĩnh
• 3.7.2. Ổn định động
• 3.8. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quá độ của cáp
• 3.8.1. Hằng số điện môi
• 4. CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM EMTP
• 4.1. Giới thiệu chương trình mô phỏng ATP-EMTP
• 4.1.1. Nguyên tắc chung
• 4.1.2. Khả năng ứng dụng của chương trình
• 4.1.3. Những chương trình tương hỗ với ATP
• 4.1.4. Những môđun mô phỏng tổng hợp trong ATP
• 4.1.5. Cách tạo một file dữ liệu để mô phỏng các mạch điện
• 4.2. Một số ứng dụng quan trọng của ATP
• 4.3. Giới thiệu về ATPDraw
• 4.3.1. Sơ lược về ATPDraw
• 4.3.2. Các tập tin chính và các file hỗ trợ trong ATPDraw
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Thiết lập mô hình đường dây trong ATP
• 5.2. Khảo sát độ dày của lớp Lead sheath
• 5.2.1. Khảo sát độ dày của lớp Lead sheath khi d=1mm
• 5.2.2. Khảo sát độ dày của lớp Lead sheath khi d=2mm
• 5.2.3. Khảo sát độ dày của lớp Lead sheath khi d=3mm
• 5.2.4. Khảo sát độ dày của lớp Lead sheath trên cùng một đồ thị
• 5.3. Khảo sát độ dày của lớp bán dẫn
• 5.3.1. Khảo sát độ dày của lớp bán dẫn khi εr= 2
• 5.3.2. Khảo sát độ dày của lớp bán dẫn khi εr= 2.2
• 5.3.3. Khảo sát độ dày của lớp bán dẫn khi εr= 2.3
• 5.3.4. Khảo sát độ dày của lớp bán dẫn trên cùng một đồ thị
• 5.4. Khảo sát lớp giáp bảo vệ
• 5.4.1. Khảo sát lớp giáp bảo vệ với µ=1
• 5.4.2. Khảo sát lớp giáp bảo vệ với µ=10
• 5.4.3. Khảo sát lớp giáp bảo vệ với µ=100
• 5.4.4. Khảo sát độ dày của lớp giáp bảo vệ trên cùng một đồ thị
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Đánh giá kết quả đạt được
• 6.2. Những vấn đề tồn tại của đề tài
• 6.3. Phương hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình và mô phỏng cáp điện trong trạng thái quá độ

Mô hình và mô phỏng cáp điện trong trạng thái quá độ là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành điện lực. Cáp điện, đặc biệt là cáp ngầm, đóng vai trò thiết yếu trong việc truyền tải điện năng. Việc hiểu rõ về các mô hình toán học và phương pháp mô phỏng giúp cải thiện chất lượng điện năng và đảm bảo an toàn cho hệ thống điện. Nghiên cứu này không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế cáp mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.

1.1. Ý nghĩa của mô hình cáp điện trong hệ thống điện

Mô hình cáp điện giúp xác định các thông số quan trọng như trở kháng và tổng dẫn, từ đó hỗ trợ trong việc phân tích và thiết kế hệ thống điện hiệu quả hơn.

1.2. Tầm quan trọng của mô phỏng trong nghiên cứu cáp điện

Mô phỏng cho phép đánh giá các hiện tượng quá độ trong hệ thống điện, giúp phát hiện và khắc phục các vấn đề tiềm ẩn trước khi triển khai thực tế.

II. Vấn đề và thách thức trong mô phỏng cáp điện

Mô phỏng cáp điện trong trạng thái quá độ gặp nhiều thách thức, bao gồm việc xác định chính xác các thông số cáp và ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài. Các thông số như ma trận trở kháng và tổng dẫn cần được xác định một cách chính xác để đảm bảo độ tin cậy của mô hình. Hơn nữa, sự thiếu chính xác trong dữ liệu hình học từ nhà sản xuất cũng làm tăng độ phức tạp trong việc mô phỏng.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô phỏng cáp điện

Các yếu tố như hình dạng cáp, vật liệu cách điện và điều kiện môi trường có thể ảnh hưởng lớn đến kết quả mô phỏng, cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.2. Khó khăn trong việc thu thập dữ liệu chính xác

Việc thu thập dữ liệu chính xác về các thông số cáp từ nhà sản xuất thường gặp khó khăn, dẫn đến việc mô phỏng không đạt yêu cầu.

III. Phương pháp xây dựng mô hình cáp điện hiệu quả

Để xây dựng mô hình cáp điện hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp toán học và phần mềm mô phỏng hiện đại. Việc sử dụng các phần mềm như ATP-EMTP và MATLAB giúp tạo ra các mô hình chính xác và đáng tin cậy. Các phương pháp này cho phép phân tích các hiện tượng quá độ và đánh giá hiệu suất của cáp điện trong các điều kiện khác nhau.

3.1. Các phương pháp toán học trong mô hình cáp

Các phương pháp toán học như phương trình Maxwell và lý thuyết điện từ được sử dụng để mô tả hành vi của cáp điện trong trạng thái quá độ.

3.2. Sử dụng phần mềm ATP EMTP trong mô phỏng

Phần mềm ATP-EMTP cung cấp các công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các hiện tượng quá độ, giúp người nghiên cứu dễ dàng phân tích và tối ưu hóa thiết kế cáp.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình cáp điện trong trạng thái quá độ

Mô hình cáp điện trong trạng thái quá độ có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành điện lực. Các kết quả từ mô phỏng có thể được sử dụng để cải thiện thiết kế cáp, nâng cao chất lượng điện năng và giảm thiểu sự cố trong hệ thống điện. Việc áp dụng các mô hình này giúp các kỹ sư điện có thể dự đoán và xử lý các vấn đề phát sinh trong quá trình vận hành.

4.1. Cải thiện thiết kế cáp điện

Mô hình cáp điện giúp các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền tải điện.

4.2. Đánh giá chất lượng điện năng

Mô phỏng cho phép đánh giá chất lượng điện năng, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện và đảm bảo nguồn điện ổn định cho người tiêu dùng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mô hình cáp điện

Mô hình và mô phỏng cáp điện trong trạng thái quá độ là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, có ảnh hưởng lớn đến ngành điện lực. Việc phát triển các mô hình chính xác và đáng tin cậy sẽ giúp nâng cao chất lượng điện năng và an toàn cho hệ thống điện. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến các phương pháp mô phỏng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành điện lực.

5.1. Đánh giá kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình cáp điện có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong mô phỏng cáp điện để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành điện lực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngành công nghiệp điện lực là một trong những ngành công nghiệp cơ sở và quan trọng nhất đối với bất kì quốc gia nào trên thế giới, đặc biệt là những nước nhanh phát triển như nước ta. Trong hệ thống điện nói chung thì hệ thống các đường dây truyền tải các đường dây đóng một vai trò quan trọng. Trước đây các đường dây truyền tải thường là các đường dây trên không với hệ thống cột đỡ từ một mạch ba dây dẫn thậm chí là đến bốn mạch 12 dây dẫn. Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển nhanh của đất nước đã hình thành các thành phố lớn, khu dân cư đông đúc với nhiều tòa nhà cao tầng.

Do đó, việc xây dựng các đường dây tải điện cao áp bằng hệ thống cáp ngầm đã trở thành một phần tất yếu của các hệ thống điện hiện đại trong các trung tâm thành phố. Bên cạnh đó, chất lượng điện năng cũng đang được quan tâm rất nhiều ở các nước phát triển và đang phát triển. Người tiêu dùng không những yêu cầu được cấp điện liên tục mà còn đòi hỏi nguồn điện đảm bảo chất lượng, không ảnh hưởng tới các thiết bị. Các hiện tượng quá độ xảy ra trên hệ thống điện sẽ gây ra các thay đổi về biên độ, tần số của điện áp nguồn.

Các thay đổi này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng, làm giảm chất lượng nguồn điện sử dụng, gây ảnh hưởng và làm giảm tuổi thọ thiết bị và gây ra những sự cố lớn trên hệ thống. Vì vậy, việc nghiên cứu quá trình quá độ trong hệ thống điện là rất cần thiết, đặc biệt là đối với cáp điện, giúp cải thiện đáng kể vấn đề chất lượng điện năng, an toàn cho hệ thống cũng như về thiết bị. Các chương trình phân tích và nghiên cứu hệ thống điện được dùng cho việc nghiên cứu quá trình quá độ đều sử dụng các mô hình của các phần tử của hệ thống để mô phỏng nghiên cứu sự vận hành và ảnh hưởng của hệ thống điện cũng như của các phần tử trong suốt thời gian nhiễu loạn. Việc xây dựng các mô hình này đòi hỏi HVTH: Trƣơng Thị Họa My 1 GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Luận Văn Thạc Sĩ Chƣơng 1: Tổng quan việc tính toán và nghiên cứu xác định các thông số đặc trưng của các phần tử thay đổi trong suốt quá trình quá độ.

Quá trình tính toán và xác định các thông số này là vấn đề rất phức tạp vì ngoài các thông số cơ bản có thể xác định được qua các thí nghiệm đơn giản hay được cung cấp bởi nhà sản xuất thì việc xác định các thông số phi tuyến của các phần tử trong hệ thống là vấn đề khó khăn. Việc xác định các thông số phi tuyến của các phần tử trong hệ thống điện sẽ nâng cao độ chính xác trong quá trình mô phỏng, giúp nghiên cứu được rõ ràng và cụ thể hơn sự ảnh hưởng của quá trình quá độ đối với các phần tử trong hệ thống điện. Đối với cáp điện, trong tính toán quá độ, điều quan trọng là phải mô tả một cách chính xác ruột dẫn, lớp cách điện, các lớp bán dẫn và lớp chống nhiễu. Đối với quá độ ở tần số cao cần lưu ý đến tổn thất về nhu cầu cách điện giấy dầu phụ thuộc vào tần số.

Ý nghĩa các vật dẫn bên ngoài cáp phụ thuộc vào tác động chống nhiễu của vỏ cáp. Điều này phụ thuộc vào việc thiết kế vỏ cáp và giá trị tần số quá độ. Một vài mô hình đường dây đã được thực hiện trong các chương trình EMTP phổ biến hiện nay vốn có thể mô tả một cách chính xác sự phụ thuộc vào tần số của hệ thống cáp. Tất cả các mô hình này đòi hỏi cùng một loại thông số ngõ vào, cụ thể là ma trận trở kháng nối tiếp Z và ma trận tổng dẫn song song Y.

Nhìn chung, đối với các hệ thống cáp, việc có được các thông số ngõ vào đủ mức chính xác thì khó hơn so với hệ thống đường dây trên không, vì khoảng cách hình học nhỏ trong hệ thống cáp làm cho các thông số cáp rất nhạy đối với sai lệch trong dạng hình học đã định. Hơn nữa, vấn đề này lại trở nên phức tạp hơn do sự thiếu chính xác trong các dữ liệu hình học do nhà sản xuất cung cấp vì họ chỉ định nghĩa các số đo cơ bản chứ không nhất thiết là các số đo đo lường thực tế. Chính vì vậy, cần phải “XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG CÁP TRONG TRẠNG THÁI QUÁ ĐỘ” để đáp ứng tốt hơn cho việc nghiên cứu quá độ trong hệ thống điện. HVTH: Trƣơng Thị Họa My 2 GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Luận Văn Thạc Sĩ Chƣơng 1: Tổng quan 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài trình bày phương pháp thành lập mô hình toán học và mô phỏng cáp ngầm cao thế trong trạng thái quá độ.

Đề tài có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực sau: - Nghiên cứu những phương trình cơ bản để thành lập mô hình toán học cho cáp ngầm - Dựa vào các yếu tố ảnh hưởng để mô phỏng cáp trong trạng thái quá độ - Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để tham khảo và phục vụ các nghiên cứu ở mức độ cao hơn 1.3 Đối tƣợng và mục đích đề tài - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cáp ngầm cao thế - Mục đích của đề tài là thành lập mô hình toán học để từ đó mô phỏng cáp trong trạng thái quá độ.4 Nhiệm vụ đề tài - Khảo sát cáp ngầm cao thế. - Xây dựng mô hình toán học cho cáp ngầm cao thế. - Phân tích các phương pháp phân tích quá độ. - Mô phỏng cáp cao thế trong trạng thái quá độ bằng phần mềm EMTP - Phân tích kết quả mô phỏng - Kết luận.

5 Phƣơng pháp nghiên cứu - Tham khảo, phân tích, tổng hợp, sử dụng có chọn lọc tài liệu từ các công trình nghiên cứu, các bài báo đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành trong nước và ngoài nước. - Mô phỏng bằng phần mềm. - Phân tích kết quả đạt được. HVTH: Trƣơng Thị Họa My 3 GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Luận Văn Thạc Sĩ Chƣơng 2: Mô hình toán học cho cáp ngầm cao thế CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO CÁP NGẦM CAO THẾ 2.1 Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm cao thế với cách điện XLPE Cấu trúc điển hình của cáp XLPE bao gồm những lớp được mô tả theo thứ tự từ trong ra ngoài như sau: 1.

Lõi cáp: - Với tiết diện dưới 800mm2, lõi gồm nhiều sợi xoắn đồng tâm - Với tiết diện từ 800mm2 trở lên, lõi gồm nhiều múi, thường là 4 hoặc 5, hoặc 6 múi. Mỗi múi gồm các sợi đồng nhỏ bện xoắn lại. - Phần khe hở giữa các múi được lấp đầy bằng vật liệu chống thấm nước dọc theo chiều dài của cáp. - Tiêu chuẩn áp dụng cho lõi cáp : IEC 60228, độ tinh khiết của đồng là 99,99%.

Lớp bán dẫn trong ( màn chắn ruột dẫn): Vật liệu của lớp bán dẫn trong là polyythylene và được ép đùn, có tác dụng làm giảm khả năng gây phóng điện cục bộ do bề mặt lồi lõm của cáp (tạo thành bởi các sợi đồng nhỏ) 3. Lớp cách điện: Được tạo thành bằng phương pháp đùn từ hợp chất XLPE (Cross- linked Polyethylene) –là loại vật liệu cách điện có nhiều đặc điểm nổi bật. Độ dày tối đa của lớp cách điện là 16mm. Lớp bán dẫn ngoài ( màn chắn cách điện): Vật liệu của lớp bán dẫn trong là polyythylene, được ép đùn, có tác dụng làm giảm khả năng ion hóa bề mặt sau lớp cách điện.

Lớp bán dẫn trong, lớp cách điện và lớp bán dẫn ngoài được. đùn đồng thời trên một dây chuyền công nghệ và không thể bóc tách được 5. Màn chăn kim loại: HVTH: Trƣơng Thị Họa My 4 GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Luận Văn Thạc Sĩ Chƣơng 2: Mô hình toán học cho cáp ngầm cao thế Màn chắn kim loại thường là một lớp băng đồng, sợi đồng hoặc cả băng đồng và sợi đồng được quấn bên ngoài lớp bán dẫn tùy theo mục đích sừ dụng. Đối với cáp trung và cao thế thường xảy ra hiện tượng bức xạ điện từ ( phóng xạ), thì màn chăn kim loại sẽ có tác dụng bó từ trường trong phạm vi cáp, không làm ảnh hưởng ra bên ngoài, vì vậy sẽ không xảy ra hiện tượng phóng xạ.

Lớp bọc đệm: Thường được làm từ vật liệu PVC và tạo thành bằng phương pháp đùn. Lớp giáp bảo vệ: Thường được làm từ sợi thép, băng thép hay sợi nhôm, băng nhôm tùy theo yêu cầu hệ thống. Được quấn bên ngoài lớp bọc đệm và có tác dụng chống va đập cơ học. Lớp vỏ ngoài: Thường được làm bằng vật liệu PVC hay PE.

Có tác dụng bảo vệ cho toàn bộ cáp, bảo vệ lớp vỏ kim loại khỏi bị tác động ăn mòn điện hóa của môi trường. Có thể phủ thêm một lớp chống bền nhiệt để chống cháy khi có sự cố hỏa hoạn xảy ra (thường áp dụng cho các đoạn cáp tiếp xúc với không khí) Hệ thống cáp ngầm hiện nay chủ yếu dung Polyethylen làm vật liệu cách điện. Lớp vỏ cách điện này đã được làm thí nghiệm trong thời gian dài và được kết luận là đảm bảo tính tin cậy cao. Những hệ thống cáp điện dựa trên công nghệ này đã được vận hành hơn hai mươi năm và được ghi lại về độ tin cậy cao.

HVTH: Trƣơng Thị Họa My 5 GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Luận Văn Thạc Sĩ Chƣơng 2: Mô hình toán học cho cáp ngầm cao thế Hình 1.1: Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm bọc cách điện XLPE Hình 1.2: Mặt cắt ngang của cáp ngầm XLPE HVTH: Trƣơng Thị Họa My 6 GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Luận Văn Thạc Sĩ Chƣơng 2: Mô hình toán học cho cáp ngầm cao thế 2.1 Các kĩ thuật chôn cáp trực tiếp trong đất: Phương pháp chôn cáp trực tiếp trong đất được áp dụng rộng rãi trên thế giới chủ yếu vì các đặc điểm sau đây: - Thời gian lắp đặt nhanh - Giá thành tương đối rẻ so với các phương pháp lắp đặt khác. - Kĩ thuật chôn lấp đơn giản bằng việc dung đất, hoặc cát thông thường để chôn lấp, dễ thi công.