Luận văn thạc sĩ về mô phỏng trường điện từ và thiết bị mạng trong truyền tải điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện tính toán và mô phỏng trường điện từ của đường dây truyền tải bằng, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Nguyễn Đăng Khoa
• Người hướng dẫn: TS. Trần Trung Tính
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện
• Đề tài: Mô phỏng Trường Điện Từ Trong Truyền Tải Điện Bằng Thiết Bị Mạng
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Cần Thơ

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng cao trong bối cảnh phát triển kinh tế đã dẫn đến sự mở rộng của hệ thống điện tại Việt Nam. Việc tính toán và mô phỏng điện từ trường của các đường dây truyền tải điện trở nên cần thiết nhằm đảm bảo an toàn cho người dân và môi trường. Các trường điện từ phát sinh từ đường dây điện cao áp có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người, do đó, việc khảo sát và phân tích chúng là vô cùng quan trọng. Luận văn này trình bày các phương pháp tính toán và mô phỏng, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định sự phân bố của trường điện từ trong không gian.

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Phương pháp số đã trở thành công cụ chủ yếu trong việc giải quyết các bài toán kỹ thuật. Đặc biệt, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được ứng dụng rộng rãi trong tính toán trường điện từ. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng FEM có thể giải quyết các bài toán phức tạp với độ chính xác cao. Tuy nhiên, việc áp dụng FEM vào mô phỏng trường điện từ của đường dây truyền tải điện vẫn còn hạn chế ở Việt Nam. Điều này mở ra cơ hội cho các nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực này.

II. Phương pháp tính toán

Trong luận văn, phương pháp FEM được sử dụng để tính toán trường điện từ của các đường dây truyền tải điện. Hệ phương trình Maxwell và phương trình Helmholtz cho sóng điện từ là cơ sở lý thuyết cho việc mô phỏng. Các bước cơ bản trong FEM bao gồm rời rạc hóa miền khảo sát, lựa chọn hàm đa thức và giải hệ phương trình. Việc áp dụng FEM giúp giải quyết nhanh chóng và chính xác các bài toán phức tạp, đảm bảo tính khả thi của mô hình. Mô hình được lập trình trên nền tảng phần mềm MATLAB, cho phép dễ dàng điều chỉnh và tối ưu hóa các thông số.

2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp số hiệu quả nhất trong việc tính toán trường điện từ. Nó cho phép phân chia miền khảo sát thành các phần tử nhỏ, từ đó áp dụng các điều kiện biên để tìm ra giải pháp gần đúng cho các phương trình vi phân. Đặc biệt, FEM có khả năng xử lý các hình dạng phức tạp và điều kiện biên khác nhau, điều này rất quan trọng trong việc mô phỏng trường điện từ của các đường dây truyền tải điện với cấu trúc đa dạng.

III. Kết quả tính toán

Kết quả tính toán cho thấy sự phân bố của trường điện từ xung quanh các đường dây truyền tải điện 500kV. Các mô hình được xây dựng cho cả mạch đơn và mạch kép, cho phép so sánh sự khác biệt trong phân bố trường điện từ. Số liệu tính toán cho thấy rằng trường điện từ giảm dần theo khoảng cách từ dây dẫn, đồng thời cũng chỉ ra rằng mạch kép có trường điện từ mạnh hơn ở các độ cao nhất định. Những kết quả này không chỉ cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế đường dây mà còn giúp đánh giá tác động đến sức khỏe con người.

3.1 Phân tích ảnh hưởng của trường điện từ

Nghiên cứu chỉ ra rằng trường điện từ từ các đường dây truyền tải điện có thể gây ra những tác động tiêu cực đến sức khỏe con người. Đặc biệt, các nghiên cứu đã chỉ ra mối liên hệ giữa trường điện từ tần số công nghiệp và các vấn đề sức khỏe như ung thư. Do đó, việc tính toán và mô phỏng trường điện từ là cần thiết để đưa ra các biện pháp bảo vệ hiệu quả cho cộng đồng.

IV. Kết luận

Luận văn đã trình bày thành công phương pháp tính toán và mô phỏng trường điện từ của đường dây truyền tải điện bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp những hiểu biết sâu sắc về sự phân bố của trường điện từ mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này. Việc áp dụng các biện pháp giảm thiểu tác động của trường điện từ sẽ đóng góp vào việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

4.1 Hướng phát triển tiếp theo

Các nghiên cứu trong tương lai có thể mở rộng ứng dụng của phương pháp FEM trong việc tính toán trường điện từ của các hệ thống điện phức tạp hơn. Đồng thời, việc kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm sẽ giúp xác định chính xác hơn các ảnh hưởng của trường điện từ đến sức khỏe con người, từ đó đề xuất các giải pháp hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU Ở Việt Nam, trong những năm qua, sự hội nhập về kinh tế dẫn tới nhu cầu sử dụng điện năng là rất lớn. Từ đó, hệ thống điện cũng được liên tục mở rộng và phát triển cả về nguồn phát, đường dây truyền tải và phân phối, xuất hiện nhiều đường dây truyền tải siêu cao áp đi sâu vào tâm phụ tải, nên các vấn đề về ảnh hưởng của đường dây đối với dân sinh cần được xem xét. Ảnh hưởng bất lợi của trường điện từ tần số công nghiệp đến con người và môi trường là vấn đề đã và đang được các nhà khoa học, các tổ chức trong nước cũng như quốc tế quan tâm nghiên cứu.

Trong đó, tính toán trường điện từ của đường dây tải điện trên không mà đặc biệt là đường dây siêu cao áp là một việc hết sức quan trọng nhằm xác định phạm vi ảnh hưởng nó. Trong thực tế, luôn xuất hiện sóng điện từ trường. Sóng điện từ trường đặc trưng bởi bước sóng và biên độ. Đối với một vài bức xạ điện từ, năng lượng lượng tử đủ lớn để có thể phá vỡ các mối liên kết phân tử (bao gồm liên kết giữa các phân tử và liên kết nội tại trong phân tử), các bức xạ này người ta gọi là bức xạ ion.

Ví dụ như bức xạ hạt nhân, bức xạ X…Còn những bức xạ có mức năng lượng không đủ để phá vỡ các mối liên kết phân tử, người ta gọi là bức xạ không ion. Điều này chứng tỏ rằng, bức xạ sóng điện từ trường không những ảnh hưởng đến sự hoạt động đúng của thiết bị, mà còn có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Việc bảo vệ thiết bị, tính toán thiết kế hệ thống điện cũng như bảo vệ con người trước sự ảnh hưởng này ngày càng có ý nghĩa quan trọng. Do đó, bài toán đặt ra là phân tích và tính toán trường điện từ này để phát triển hệ thống điện bền vững, khoa học, đảm bảo an toàn cho người và môi trường xung quanh.

Trong luận văn này sẽ trình bày phương pháp tính toán, mô phỏng trường 2 điện từ của đường dây truyền tải điện và những phân tích về ảnh hưởng của trường điện từ đến sức khỏe con người cũng như đưa ra một số giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng của trường điện từ do đường dây truyền tải điện sinh ra. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Ngày nay phương pháp số đã trở nên phổ biến và được ứng dụng trong hầu hết các bài toán kỹ thuật. Phương pháp số có ưu điểm là giải nhanh được các bài toán phức tạp và có độ chính xác cao và nó gần như đã thay thế cho bài toán giải tích. Mô hình toán học của các vấn đề trong Khoa học và Kỹ thuật thường dẫn đến hệ phương trình đạo hàm riêng (Partial Differential Equations - PDEs).

Tuỳ theo điều kiện biên mà PDEs được chia thành hai loại chính: Bài toán điều kiện đầu và bài toán điều kiện biên. Thông thường, không thể tìm được lời giải chính xác thoả mãn PDEs, vì vậy các phương pháp số được áp dụng để tìm lời giải gần đúng. Các phương pháp số: Phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM), phần tử biên (Boundary Element Method - BEM), sai phân hữu hạn (Finite Differential Method - FDM), thể tích hữu hạn (Finite Volume Method - FVM)… đã và đang được phát triển, đạt nhiều thành công và đóng góp rất lớn vào nền khoa học kỹ thuật thế giới. Các chuyên ngành kỹ thuật như cơ học ứng dụng, kỹ thuật hàng không, kỹ thuật xây dựng, kỹ thuật cơ khí,… đã ứng dụng phương pháp tính toán này rất phổ biến và gần như nó đã thay thế hoàn toàn các phương pháp cổ điển như việc ra đời các phần mềm ứng dụng hữu ích trên cơ sở của phương pháp số như: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF v.

Đặc biệt trong trong ngành kỹ thuật điện việc ứng dụng phương pháp số để giải bài toán trường điện từ của antenna, máy điện, máy biến áp, mô phỏng quá độ của hệ thống nối đất, tính toán trường nhiệt của cáp,… đã và đang bắt đầu được áp dụng rộng rãi. Điều này được thể hiện qua các nghiên cứu trong và ngoài nước [28-43]. Hiện nay trong nước đã có một vài đề tài về tính toán điện từ trường của đường dây truyền tải 3 bằng phương pháp giải tích cổ điển hoặc bằng phương pháp mật độ điện tích [28- 33], [43]. Tuy nhiên để tính toán và mô phỏng trường điện từ của các đường dây truyền tải bằng phương pháp phần tử hữu hạn vẫn chưa được đề cập và thực hiện.

TÓM TẮT SƠ LƯỢC CÁC BÀI BÁO LIÊN QUAN 1. Analytical Calculation of the Electric Field Produced by Single- Circuit Power Lines, [34] Tác giả: A. Tzinevrakis, Student Member, IEEE, D. Mimos Giới thiệu về trường điện từ tạo bởi các đường dây truyền tải và phương pháp phân tích, tính toán chúng.

Trường điện từ sinh ra bởi các đường dây điện trên cao thường được tính với việc sử dụng các phương pháp số thông qua máy tính. Tuy nhiên, việc tính toán phân tích cung cấp những lợi thế mà dẫn đến một biểu thức toán học, cho phép tính toán trực tiếp trường điện từ. Một phương pháp để suy ra các công thức phân tích của cường độ điện trường được sinh ra bởi đường dây mạch đơn được áp dụng trong bài viết này. Sử dụng phương pháp tính toán này, công thức chính xác về cường độ điện trường có thể phát sinh đối với bất kỳ dòng mạch thông thường.

Nhược điểm của phương pháp này là khá đặt nặng về độ chính xác của công thức gốc, nó có thể được sử dụng trực tiếp cho bất kỳ dữ liệu hình học hoặc điện áp. Một ứng dụng điển hình của phương pháp này được đưa ra cho một mạch đường dây với các dây dẫn đặt trên các góc của một tam giác đều. Thông qua các công thức chính xác, một công thức đơn giản gần đúng, tính toán điện trường với độ chính xác cao. Comparative Analysis of 2- and 3-D ethods for Computing Electric and Magnetic Fields Generated by Overhead Transmission Lines, [35] Tác giả: João Clavio Salari, Athanasio Mpalantinos, and João Ignácio Silva Bài báo trình bày một phân tích so sánh giữa phương pháp 2-D và 3-D về trường điện từ tạo ra bởi các đường dây trên không hoạt động ở tần số điện công nghiệp, nghiên cứu tập trung vào các hiệu ứng mắt xích của dây cáp và tổn thất về điện.

Kết quả khảo sát cho một đoạn dây ba pha 138kV. Trong thiết kế hoặc phân tích các đường dây trên không, phổ biến nhất là thực hiện tính toán hoặc đo mức độ tối đa của trường điện từ được tạo ra bởi dòng điện. Các hiệu ứng vầng quang (phóng điện vầng quang) là một nguyên nhân gây ra tổn thất cho cáp điện và giao thoa vô tuyến không mong muốn, tiếng ồn, nhiễu của sóng truyền hình gần đó. Vì vậy, cần phải tính toán chính xác trường điện từ tạo ra bởi các đường dây truyền tải.

Nhiệm vụ là xây dựng mô hình đầy đủ và tính toán đầy đủ để tính toán điện áp và dòng điện cảm ứng trong tất cả các thành phần của đường dây, bao gồm tháp trụ, hệ thống nối đất, … Trong bài báo này trình bày một ví dụ ứng dụng rất đơn giản để chỉ ra một số khía cạnh quan trọng liên quan đến việc tính toán của các trường điện từ tạo ra bởi các đường dây truyền tải sử dụng phương pháp 2-D và 3-D được đưa ra. Các nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực điện trường, từ trường gần mặt đất, gần đường dây và lĩnh vực điện trên bề mặt của dây cáp. Finite Element Analysis of Magnetic Field Distribution for 500- kV Power Transmission Systems, [36] Tác giả: P. Pao-la-or, A.

Kulworawanichpong 5 Bài báo giới thiệu các mô hình toán học để tính toán trường điện từ gây ra bởi hoạt động của đường dây cao thế trong điều kiện điều kiện tải bình thường và sự cố ngắn mạch. Các mô hình toán học có nguồn gốc từ phương trình vi phân từng phần cấp hai bằng cách phân tích sự phân bố của từ trường xung quanh đường dây truyền tải điện 500kV. Phương pháp được sử dụng trong bài báo này là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để giải quyết các phương trình sóng điện từ. Các mô phỏng bằng máy tính dựa trên ứng dụng của FEM đã được phát triển trong môi trường lập trình MATLAB.

Bài toán áp dụng với: mạch đơn và mạch kép của đường dây tải điện 500kV đã được sử dụng để thử nghiệm. Bài báo này đã nghiên cứu sự phân bố từ trường xung quanh đường truyền tải cao áp trong cả hai trường hợp: dòng tải bình thường và trường hợp sự cố: sự cố ngắn mạch một pha, dòng ngắn mạch hai pha nối đất, ngắn mạch hai pha và ngắn mạch ba pha cân bằng. Mạch đơn và mạch kép, của đường dây truyền tải điện 500kV Thái Lan. Các mô phỏng bằng máy tính được thực hiện bằng phần mềm matlab dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn đã được thực hiện.

Finite Element Approach to Electric Field Distribution Resulting from Phase-sequence Orientation of a Double-Circuit High Voltage Transmission Line, [37] Tác giả: A. Pao-la-or Bài báo đề xuất một mô hình toán học của điện trường gây ra bởi các dây dẫn điện cao thế của hệ thống truyền tải điện năng bằng cách sử dụng phương trình vi phân từng phần cấp hai. Nghiên cứu này đã xem xét ảnh hưởng của thứ tự pha của đường dây truyền tải điện cao áp. Mô phỏng trên máy tính sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, chỉ dẫn trong môi trường lập trình MATLAB với đồ họa đại diện cho cường độ điện trường.

Các kết quả mô phỏng cho thấy trình tự hoán đổi thứ tự 6 pha là một trong những yếu tố quan trọng để ảnh hưởng đến sự phân bố điện trường xung quanh các đường dây truyền tải. Analysis of Electromagnetic Field Effects Using FEM for Transmission Lines Transposition, [38] Tác giả: S. Pao-la-or Bài báo này trình bày mô hình toán của điện trường và từ trường trong hệ thống truyền tải điện được thực hiện bằng phương trình vi phân từng phần cấp hai. Nghiên cứu này đã tiến hành phân tích bức xạ điện từ trường không khí xung quanh các đường dây truyền tải.

Các mô phỏng máy tính bằng phần mềm Matlab được áp dụng với phương pháp phần tử hữu hạn được giới thiệu trong bài viết này. Bài viết này đã nghiên cứu sự phân phối điện trường và từ trường phát sinh từ sáu mạch của đường dây truyền tải điện cao áp với sự phân bố các khoảng cách chuyển vị của đường dây mạch kép 500kV. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng kết hợp với lập trình mô phỏng trên máy tính.