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

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• PHỤ LỤC HÌNH
• PHỤ LỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.2. TÓM TẮT SƠ LƯỢC CÁC BÀI BÁO LIÊN QUAN
• 1.2.1. Analytical Calculation of the Electric Field Produced by Single-Circuit Power Lines, [34]
• 1.2.2. Comparative Analysis of 2- and 3-D ethods for Computing Electric and Magnetic Fields Generated by Overhead Transmission Lines, [35]
• 1.2.3. Finite Element Analysis of Magnetic Field Distribution for 500-kV Power Transmission Systems, [36]
• 1.2.4. Finite Element Approach to Electric Field Distribution Resulting from Phase-sequence Orientation of a Double-Circuit High Voltage Transmission Line, [37]
• 1.2.5. Analysis of Electromagnetic Field Effects Using FEM for Transmission Lines Transposition, [38]
• 1.2.6. Tính toán điện từ trường của đường dây truyền tải điện, đề tài luận văn thạc sĩ, chuyên ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, năm 2009, Giáo viên hướng dẫn TS.
• 1.2.7. Tính toán từ trường của đường dây tải điện trên không, Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Bách Khoa Đà Nẳng, Số 3(44),2011, [43]
• 1.3. HƯỚNG TIẾP CẬN ĐỀ TÀI
• 1.4. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
• 1.4.1. Hệ phương trình Maxwell
• 1.4.2. Phương trình Helmholtz cho sóng điện từ
• 1.5. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 1.5.1. Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn
• 1.5.2. Nguyên lý cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn
• 1.5.3. Các bước cơ bản trong thủ tục phân tích FEM
• 1.5.3.1. Rời rạc hoá miền khảo sát
• 1.5.3.2. Lựa chọn hàm đa thức
• 1.5.3.3. Giải hệ phương trình
• 1.6. FEM TRONG BÀI TOÁN ĐIỆN TỪ TRƯỜNG
• 1.7. LƯỚI THÍCH NGHI
• 1.7.1. Giải thuật tạo lưới Delaunay thích nghi
• 1.7.2. Ưu điểm của lưới Delaunay thích nghi
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐIỆN TRƯỜNG CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
• 2.1. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
• 2.1.1. Phương trình sóng điện trường
• 2.1.2. Điều kiện biên
• 2.2. ĐIỆN TRƯỜNG CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
• 2.2.1. Phương trình toán học tính điện trường của đường dây truyền tải điện
• 2.2.2. Tính toán điện trường của đường dây truyền tải điện ba pha
• 2.2.3. Áp dụng Phương pháp phần tử hữu hạn cho bài toán điện trường của đường dây truyền tải điện
• 2.3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ĐIỆN TRƯỜNG CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 500kV
• 2.3.1. Kết quả chia lưới của đường dây
• 2.3.2. Phân bố điện trường của đường dây mạch đơn và mạch kép
• 2.3.3. Điện trường ở các độ cao khác nhau
• 2.3.4. So sánh từ trường của đường dây mạch đơn và mạch kép
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN TỪ TRƯỜNG CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
• 3.1. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
• 3.1.1. Phương trình sóng từ trường
• 3.1.2. Điều kiện biên
• 3.2. TỪ TRƯỜNG CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
• 3.2.1. Phương trình toán học tính từ trường của đường dây truyền tải điện
• 3.2.2. Tính toán từ trường của đường dây truyền tải điện ba pha
• 3.2.3. Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho bài toán từ trường của đường dây truyền tải điện
• 3.3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TỪ TRƯỜNG CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 500kV
• 3.3.1. Kết quả chia lưới của đường dây
• 3.3.2. Từ trường phân bố trong không gian xung quanh đường dây truyền tải mạch đơn và mạch kép
• 3.3.3. Từ trường của đường dây mạch đơn và mạch kép ở các độ cao khác nhau
• 3.3.4. So sánh từ trường của đường dây mạch đơn và mạch kép
• 4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ ĐỐI VỚI CON NGƯỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢM ẢNH HƯỞNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ
• 4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ ĐỐI VỚI SỨC KHỎE CON NGƯỜI
• 4.1.1. Đặc điểm của điện từ trường ở tần số công nghiệp 50Hz
• 4.1.2. Sự tác động của trường điện từ đối với cơ thể người
• 4.1.3. Điện từ trường và sức khỏe cộng đồng: dải tần số cực thấp và bệnh ung thư của tổ chức sức khỏe thế giới WHO[16]
• 4.2. CÁC QUY ĐỊNH, NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Ở VIỆT NAM
• 4.2.1. Các quy định về điện trường
• 4.3. CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế thúc đẩy nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng trưởng trung bình từ 10% đến 12% mỗi năm tại Việt Nam, kéo theo việc mở rộng mạng lưới truyền tải điện siêu cao áp 500kV đi sâu vào các trung tâm phụ tải và vùng dân cư đông đúc. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các đường dây truyền tải điện áp cao phát sinh trường điện từ tần số cực thấp 50Hz trong không gian xung quanh, làm dấy lên những lo ngại sâu sắc về an toàn sức khỏe con người, hiện tượng nhiễu loạn thông tin viễn thông và suy hao vầng quang điện.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học và ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp thuật toán lưới thích nghi để mô phỏng, tính toán chính xác sự phân bố cường độ điện trường và cảm ứng từ quanh đường dây truyền tải điện. Phạm vi nghiên cứu tập trung khảo sát tuyến đường dây siêu cao áp 500kV Cai Lậy - Ô Môn tại khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long, phân tích không gian từ mặt đất lên đến độ cao 13 mét.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cung cấp công cụ tính toán số tin cậy trên nền tảng phần mềm kỹ thuật, giúp giảm thiểu sai số thiết kế cơ học truyền thống xuống dưới 3%. Đồng thời, kết quả mô phỏng hỗ trợ đắc lực cho các cơ quan quản lý năng lượng kiểm soát nghiêm ngặt ngưỡng cường độ điện trường khu vực công cộng dưới 5 kV/m và cảm ứng từ dưới 100 microTesla theo quy định an toàn hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng hệ phương trình đạo hàm riêng Maxwell nhằm mô tả mối quan hệ tương hỗ giữa bốn vector đặc trưng của trường điện từ gồm cường độ điện trường, cảm ứng từ, mật độ dòng điện dịch và cường độ từ trường. Từ hai định luật cơ bản của Faraday và Ampere, phương trình truyền sóng Helmholtz cho môi trường không đồng nhất được thiết lập dưới dạng phức điều hòa ở tần số 50Hz, cho phép tách biệt độc lập bài toán phân bố điện trường và từ trường trong không gian hai chiều.

Khung lý thuyết vận dụng ba khái niệm trụ cột: trường tĩnh điện trạng thái xác lập trong môi trường điện môi không đồng nhất, bức xạ không ion hóa tần số cực thấp, và nguyên lý bảo toàn năng lượng trường tĩnh điện thông qua phiếm hàm năng lượng cực tiểu. Nghiên cứu xác lập các điều kiện biên Dirichlet và Neumann chặt chẽ tại bề mặt tiếp giáp giữa các môi trường chất khác nhau như dây dẫn kim loại, không khí và mặt đất phẳng, bảo đảm tính liên tục của thành phần tiếp tuyến và bước nhảy của thành phần pháp tuyến.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu tính toán sử dụng thông số thực tế của tuyến đường dây 500kV Cai Lậy - Ô Môn với điện áp danh định 500kV, cấu hình dây dẫn phân pha, độ võng dây và khoảng cách pha theo hai dạng hình học: mạch đơn bố trí hình tam giác và mạch kép bố trí đối xứng thẳng đứng.

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp kỹ thuật phần dư có trọng số Galerkin để giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng. Miền khảo sát không gian hai chiều có kích thước bề rộng 70 mét và chiều cao 35 mét được rời rạc hóa thành các phần tử tam giác ba nút bậc nhất. Lý do lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn là nhờ khả năng thích ứng linh hoạt với các miền hình học phức tạp, cho phép gán thuộc tính vật liệu điện môi cục bộ và đạt độ hội tụ chính xác cao hơn hẳn phương pháp sai phân hay giải tích cổ điển.

Để tối ưu hóa tài nguyên tính toán, giải thuật tạo lưới Delaunay thích nghi được phát triển dựa trên hàm điều khiển lực cân bằng nút. Trong mô hình thử nghiệm, lưới thích nghi chỉ cần 758 nút và 1356 phần tử, giảm hơn 52% số lượng nút tính toán so với lưới Delaunay đều cổ điển (yêu cầu 1594 nút và 2929 phần tử). Toàn bộ thuật toán được lập trình và giải ma trận đại số tuyến tính trên môi trường MATLAB trong thời gian thực hiện 5 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, cường độ điện trường đạt giá trị cực đại ngay tại vị trí tim tuyến và suy giảm nhanh chóng khi tiến ra mép hành lang an toàn. Tại độ cao 1 mét so với mặt đất (vị trí tiếp xúc cơ thể người), cường độ điện trường cực đại của đường dây mạch kép 500kV đạt khoảng 4,2 kV/m, thấp hơn khoảng 18% so với đường dây mạch đơn (đạt xấp xỉ 5,1 kV/m), bảo đảm nằm trong ngưỡng an toàn cho phép 5 kV/m đối với khu vực công cộng.

Thứ hai, cường độ từ trường phụ thuộc tuyến tính vào dòng điện phụ tải; ở chế độ vận hành định mức, mức cảm ứng từ tại độ cao 1 mét dao động từ 15 đến 22 microTesla, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng giới hạn phơi nhiễm công cộng 100 microTesla do Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Bức xạ Không Ion hóa ban hành.

Thứ ba, giải thuật lưới Delaunay thích nghi giúp tối ưu hóa thời gian xử lý ma trận trên phần mềm MATLAB xuống còn khoảng 0,68 giây, rút ngắn hơn 53% thời gian so với mức 1,45 giây của lưới phân bố đều thông thường. Sai số tính toán giữa phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp mật độ điện tích truyền thống chỉ dao động trong khoảng 1,2% đến 2,5%.

Thứ tư, khi tăng chiều cao treo dây dẫn từ mốc 10 mét lên 13 mét so với mặt đất, cường độ điện trường bề mặt tiếp xúc giảm trung bình khoảng 32%, tạo ra vùng đệm an toàn rộng hơn cho các hoạt động dân sinh bên dưới đường dây.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm điện trường và từ trường rõ rệt ở cấu hình mạch kép được giải thích bởi hiện tượng triệt tiêu tương hỗ giữa các vector trường của các pha đối xứng khi được hoán vị thứ tự pha hợp lý. Điều này khẳng định việc sắp xếp không gian của các dây dẫn mang dòng có ý nghĩa quyết định đối với mức độ bức xạ trường điện từ.

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị phân bố không gian hai chiều theo phương ngang từ -35 mét đến +35 mét, kết hợp bản đồ đường đồng mức điện thế và biểu đồ ma trận màu ba chiều thể hiện mật độ năng lượng trường. Bảng đối chiếu số liệu tại 7 mức độ cao khác nhau gồm 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 10m và 13m cung cấp cái nhìn chi tiết về sự biến thiên của điện từ trường theo phương thẳng đứng.

So với các công bố quốc tế của Viện Kỹ sư Điện và Điện tử cũng như Hội đồng Lưới điện Lớn Quốc tế, kết quả đạt được có sự tương đồng cao về mặt quy luật phân bố. Phương pháp phần tử hữu hạn chứng minh tính ưu việt vượt trội trong việc xử lý các bài toán biên không gian mở và môi trường điện môi nhiều lớp so với các phương pháp giải tích giản lược.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tối ưu hóa thứ tự hoán vị pha cho tất cả các tuyến truyền tải mạch kép 500kV chuẩn bị xây dựng mới nhằm triệt tiêu tối đa trường điện từ tổng hợp, hướng tới mục tiêu giảm từ 15% đến 25% cường độ điện trường tại tâm hành lang tuyến, do các Ban Quản lý dự án điện triển khai ngay trong giai đoạn lập báo cáo nghiên cứu khả thi trong vòng 6 tháng.

Thứ hai, nâng cao độ tĩnh không dây dẫn tại các điểm giao cắt khu dân cư tập trung từ mức tối thiểu 10 mét lên trên 14 mét, giúp giảm hơn 30% cường độ điện trường tiếp xúc mặt đất, do các đơn vị tư vấn thiết kế cập nhật vào hồ sơ kỹ thuật trong khung thời gian từ 6 đến 12 tháng.

Thứ ba, lắp đặt bổ sung hệ thống dây chống sét kết hợp dây che chắn tiếp địa hoặc trồng thảm cây xanh tán thấp có độ ẩm cao dọc hành lang bảo vệ nhằm phân tán và hấp thụ điện trường, bảo đảm duy trì cường độ điện trường tại khu vực sinh hoạt dưới mức 3,5 kV/m, do Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia phối hợp chính quyền địa phương thực hiện định kỳ hàng năm.

Thứ tư, tích hợp công cụ mô phỏng số phần tử hữu hạn trên nền tảng MATLAB vào quy trình tự động hóa đánh giá tác động môi trường của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, hoàn thành việc xây dựng quy chuẩn và ban hành sổ tay hướng dẫn tính toán nội bộ trong thời hạn 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế đường dây và trạm biến áp: Tiếp cận công cụ tính toán số chính xác để tối ưu hóa hình học tháp điện, khoảng cách pha và chiều cao treo dây, giúp tiết kiệm từ 5% đến 10% chi phí vật liệu xây lắp trong khi vẫn bảo đảm an toàn bức xạ điện từ.

Cán bộ quản lý vận hành và điều độ lưới điện: Sử dụng hệ thống bảng tra số liệu cường độ điện trường và cảm ứng từ tại các cấp điện áp 110kV, 220kV, 500kV để xây dựng quy trình bảo hộ lao động và khoảng cách an toàn khi công nhân làm việc gần đường dây đang mang điện.

Chuyên gia đánh giá tác động môi trường và nhà hoạch định chính sách: Khai thác các dữ liệu đối chiếu với tiêu chuẩn quốc tế như Tổ chức Y tế Thế giới và Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Bức xạ Không Ion hóa để xây dựng báo cáo an toàn môi trường và hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về hành lang bảo vệ lưới điện cao áp.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện: Sử dụng mô hình giải thuật lưới Delaunay thích nghi và mã nguồn giải phương trình đạo hàm riêng trên MATLAB làm tài liệu giảng dạy, học tập và phát triển các hướng nghiên cứu chuyên sâu về trường nhiệt cáp ngầm hoặc trường điện từ ba chiều.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu thế gì vượt trội so với các phương pháp giải tích truyền thống khi tính toán điện từ trường? Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép rời rạc hóa các miền không gian hình học phức tạp và giải quyết chính xác các điều kiện biên không đồng nhất của hệ thống dây dẫn thực tế. Điều này giúp loại bỏ các giả định đơn giản hóa thái quá, giảm sai số tính toán xuống dưới 3% so với mức sai số trên 10% của các công thức giải tích cổ điển.

Thuật toán lưới Delaunay thích nghi mang lại lợi ích cụ thể nào cho bài toán mô phỏng? Thuật toán tự động tái bố trí điểm nút dựa trên gradient của trường, giúp làm dày mật độ phần tử ở vùng lân cận dây dẫn và thưa dần ra biên xa. Nhờ đó, số nút tính toán giảm hơn 52% từ 1594 nút xuống 758 nút, giúp tiết kiệm bộ nhớ máy tính và rút ngắn hơn phân nửa thời gian xử lý thuật toán trên MATLAB.

Cường độ điện trường dưới đường dây 500kV Cai Lậy - Ô Môn có gây nguy hại trực tiếp đến sức khỏe người dân không? Kết quả tính toán tại độ cao 1 mét cho thấy cường độ điện trường cực đại đạt 4,2 kV/m đối với mạch kép và 5,1 kV/m đối với mạch đơn tại điểm tim tuyến. Các mức này đều nằm trong ngưỡng an toàn 5 kV/m theo quy chuẩn Việt Nam và khuyến cáo quốc tế, không gây hiện tượng ion hóa phá vỡ tế bào sinh học.

Tại sao đường dây mạch kép lại có mức phát xạ trường điện từ thấp hơn đường dây mạch đơn? Đường dây mạch kép khi được bố trí thứ tự pha đảo chiều hoặc đối xứng sẽ tạo ra các vector điện trường và từ trường có chiều ngược nhau giữa hai mạch. Sự chồng chập trường này dẫn đến hiện tượng triệt tiêu tương hỗ một phần năng lượng, làm giảm từ 15% đến 20% cường độ trường tổng hợp đo được tại mặt đất.

Mô hình tính toán của luận văn có thể áp dụng cho các cấp điện áp khác như 110kV hay 220kV không? Hoàn toàn có thể mở rộng. Thuật toán phần tử hữu hạn và cấu trúc chương trình trên MATLAB được thiết lập dưới dạng tham số hóa tổng quát, cho phép người dùng thay đổi linh hoạt cấp điện áp, bán kính dây dẫn, số lượng dây phân pha và tọa độ treo dây để mô phỏng chính xác cho mọi cấp điện áp lưới điện.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình toán học giải hệ phương trình vi phân Maxwell và phương trình Helmholtz phục vụ tính toán chính xác trường điện từ tần số 50Hz của đường dây truyền tải điện.
• Phát triển và ứng dụng hiệu quả giải thuật lưới Delaunay thích nghi trên môi trường MATLAB, giúp giảm hơn 52% số nút tính toán và tăng tốc độ xử lý số học đáng kể.
• Mô phỏng định lượng phân bố cường độ điện trường và cảm ứng từ của tuyến 500kV Cai Lậy - Ô Môn tại các cao độ từ 1 mét đến 13 mét, chứng minh tính an toàn theo quy chuẩn hiện hành.
• Xác định cấu hình đường dây mạch kép giúp giảm khoảng 18% cường độ điện trường tại mặt đất so với mạch đơn nhờ hiện tượng bù trừ vector trường giữa các pha.
• Đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật khả thi gồm tối ưu hóa hoán vị pha, nâng độ tĩnh không và xây dựng rào chắn hấp thụ nhằm bảo vệ tối đa môi trường dân sinh.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp một công cụ mô phỏng số hóa toàn diện, độ chính xác cao cho bài toán thiết kế và kiểm định an toàn điện từ trường của lưới điện siêu cao áp tại Việt Nam. Kế hoạch phát triển tiếp theo trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới là mở rộng mô hình tính toán sang không gian ba chiều có xét đến công trình nhà ở thực tế và phân tích trường nhiệt của hệ thống cáp ngầm cao thế. Các đơn vị quản lý vận hành và tư vấn thiết kế hệ thống điện hãy tích cực ứng dụng giải pháp mô phỏng số này vào thực tiễn để nâng cao chất lượng công trình và bảo đảm phát triển năng lượng bền vững.

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.