Luận Văn Thạc Sĩ Về Tính Toán Điện Trường Đường Dây Truyền Tải Điện Cao Áp Một Chiều HVDC

Chuyên đề nghiên cứu Tính Toán Điện Trường Đường Dây Truyền Tải HVDC Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn, cập nhật xu hướng mới, giá trị tham khảo cao

• Tác giả: Hà Bảo Linh
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Phan Tú
• Trường học: Đại học Bách Khoa TP. HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị Mạng và Nhà máy điện
• Đề tài: Tính Toán Điện Trường Đường Dây Truyền Tải Điện Cao Áp Một Chiều (HVDC) Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Chương này trình bày tổng quan về đường dây truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) và sự phát triển của hệ thống này. Hệ thống HVDC đã trở thành một giải pháp quan trọng trong việc truyền tải điện năng với công suất lớn và khoảng cách xa. Việc ứng dụng công nghệ HVDC giúp cải thiện hiệu suất truyền tải, giảm tổn thất điện năng và tăng cường độ ổn định cho hệ thống điện. Những ưu nhược điểm của HVDC so với hệ thống truyền tải xoay chiều cũng được phân tích, nhấn mạnh rằng mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng vấn đề về vầng quang và điện trường phát sinh cần được nghiên cứu kỹ lưỡng. "Nghiên cứu về điện trường và mật độ điện tích xung quanh dây dẫn là cần thiết để đánh giá tác động của HVDC đến môi trường và sức khỏe con người."

1.1 Lịch sử phát triển hệ thống truyền tải HVDC

Hệ thống HVDC bắt đầu phát triển từ những năm 1930, với những cải tiến đáng kể trong công nghệ van hồ quang và thiết bị điện tử công suất. Đường dây truyền tải HVDC đầu tiên được xây dựng vào năm 1954, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng HVDC trên toàn cầu. Các dự án nổi bật như HVDC Itaipu và Rihand-Delhi cho thấy khả năng truyền tải công suất lớn qua khoảng cách xa, đồng thời đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. "Sự phát triển của HVDC không chỉ góp phần vào việc truyền tải hiệu quả mà còn mở ra hướng đi mới cho việc kết nối các hệ thống điện khác nhau."

1.2 Ưu nhược điểm của đường dây truyền tải HVDC

Đường dây HVDC có nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng truyền tải công suất lớn hơn so với hệ thống AC cùng kích thước dây dẫn, và có thể kết nối các hệ thống điện với tần số khác nhau. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho các thiết bị biến đổi HVDC vẫn còn cao, và việc thu hồi công suất dọc đường dây gặp nhiều khó khăn. "Mặc dù HVDC mang lại nhiều lợi ích, nhưng vầng quang và điện trường phát sinh từ hệ thống này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người, điều này cần được nghiên cứu và giải quyết."

II. Lý thuyết vầng quang điện một chiều

Chương này tập trung vào lý thuyết vầng quang điện một chiều, bao gồm các khái niệm cơ bản về vầng quang và điện trường. Vầng quang tại các điện cực dương và âm được phân tích chi tiết, cùng với các giá trị điện trường và điện áp khởi tạo vầng quang. "Việc hiểu rõ lý thuyết về vầng quang và các yếu tố ảnh hưởng đến nó là rất quan trọng để dự đoán và quản lý các tác động của điện trường HVDC."

2.1 Lý thuyết vầng quang

Vầng quang là hiện tượng xảy ra khi điện trường đủ mạnh để ion hóa không khí xung quanh dây dẫn. Các yếu tố như điện áp, khoảng cách và điều kiện môi trường ảnh hưởng đến sự hình thành vầng quang. Phân tích điện trường tại các điện cực dương và âm cho thấy sự khác biệt trong cường độ và mật độ ion hóa. "Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc tính toán chính xác điện trường là cần thiết để đánh giá tác động của vầng quang tới môi trường."

2.2 Giá trị điện trường và điện áp khởi tạo vầng quang

Giá trị điện trường và điện áp khởi tạo vầng quang được xác định thông qua các mô hình toán học và thực nghiệm. Các thông số này không chỉ quyết định sự hình thành vầng quang mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống HVDC. "Hiểu rõ về các giá trị này giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống truyền tải HVDC, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường."

III. Phương pháp giải bài toán trường ion hóa

Chương này giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong việc giải bài toán trường ion hóa xung quanh đường dây HVDC. FEM là một công cụ mạnh mẽ cho phép mô phỏng và phân tích các hiện tượng phức tạp trong điện trường. "Phương pháp này giúp tính toán chính xác điện trường và mật độ ion, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện thiết kế đường dây HVDC."

3.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để phân tích các bài toán điện từ phức tạp. FEM chia miền tính toán thành các phần tử nhỏ, giúp giải quyết các phương trình đạo hàm riêng một cách hiệu quả. "Đối với bài toán điện trường HVDC, FEM cho phép mô phỏng chính xác các điều kiện biên và các yếu tố ảnh hưởng đến điện trường."

3.2 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong giải bài toán điện

FEM đã được áp dụng rộng rãi trong ngành kỹ thuật điện để giải quyết các bài toán liên quan đến điện trường và từ trường. Qua việc mô phỏng điện trường xung quanh đường dây HVDC, các thông số như cường độ điện trường và mật độ ion có thể được tính toán chính xác. "Ứng dụng FEM trong nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn giảm thiểu thời gian tính toán."

IV. Kết quả tính toán và thảo luận

Chương này trình bày kết quả tính toán điện trường và thảo luận về các ảnh hưởng của cấu trúc đường dây đến điện trường. Các mô hình khác nhau như monopolar, bipolar và homopolar được phân tích để so sánh hiệu quả truyền tải. "Kết quả cho thấy rằng cấu trúc đường dây có ảnh hưởng lớn đến điện trường và mật độ ion hóa, điều này cần được xem xét trong thiết kế hệ thống HVDC."

4.1 Đường dây monopolar

Phân tích đường dây monopolar cho thấy điện trường tập trung nhiều hơn tại vị trí gần dây dẫn. Việc tính toán cho thấy rằng mật độ ion hóa cũng tăng lên đáng kể trong các điều kiện nhất định. "Kết quả này giúp hiểu rõ hơn về tác động của đường dây monopolar đến môi trường xung quanh."

4.2 Đường dây bipolar

Đối với đường dây bipolar, điện trường được phân bố đồng đều hơn giữa các dây dẫn. Mô hình này cho thấy khả năng giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh so với mô hình monopolar. "Điều này mở ra cơ hội thiết kế các hệ thống HVDC hiệu quả hơn, giảm thiểu ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường."

V. Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Chương cuối cùng tổng kết những phát hiện chính của nghiên cứu và đề xuất hướng phát triển trong tương lai. Việc nghiên cứu tính toán điện trường đường dây HVDC bằng phương pháp phần tử hữu hạn đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực truyền tải điện. "Hướng phát triển tiếp theo cần chú trọng đến việc cải thiện các mô hình tính toán và nghiên cứu sâu hơn về tác động của điện trường đến môi trường."

5.1 Tổng kết

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tính toán điện trường xung quanh đường dây HVDC là rất cần thiết để đánh giá tác động của nó đến môi trường. Các phương pháp như FEM cung cấp các công cụ hữu ích để thực hiện các phân tích này. "Tổng kết lại, nghiên cứu này không chỉ góp phần vào việc hiểu rõ hơn về HVDC mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo."

5.2 Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai cần tập trung vào việc cải tiến các mô hình tính toán và mở rộng nghiên cứu đến các yếu tố khác như tác động đến sức khỏe con người và môi trường. "Cần có sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và các cơ quan quản lý để đảm bảo rằng các hệ thống HVDC được phát triển một cách bền vững và an toàn."

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU Do đó mục tiêu của bài luận này nhằm đề xuất phương pháp giải quyết bài toán điện trường đường dây truyền tải điện cao áp một chiều sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method).2 Mục đích nghiên cứu Mục đích sau khi thực hiện xong luận văn có thể: - Nắm vững cơ sở lý thuyết điện trường đường dây truyền tải HVDC. - Nắm vững phương pháp phần tử hữu hạn trong giải các bài toán kỹ thuật. Đặc biệt là vận dụng phân tích điện trường đường dây HVDC cả đơn cực (Monopolar line) và lưỡng cực (Bipolar line). - Sử dụng các công cụ mô phỏng (Matlab, comsol, Ansys, …) để mô phỏng điện trường.5 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ biến đổi điện cao áp và một số công cụ khác việc ứng dung công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) trở nên phổ biến.

Thuận lợi của truyền tải HVDC so với AC là bao gồm tổn thất thấp với khoảng cách xa, công suất truyền tải lớn có thể sử dụng đất như đường trở về vì thế mỗi dây dẫn được vận hành một cách độc lập, không có hiệu ứng bề mặt, hệ số công suất không đổi trên toàn đường dây. Do đó không cần bù công suất phản kháng, loại bỏ của hệ thống đồng bộ và các vấn đề ổn định, có thể liên kết các hệ thống AC có tần số khác nhau. Tuy nhiên vấn đề ở truyền tải HVDC là sự phát vầng quang từ đường dây bao gồm: tổn thất công suất, gây nhiễu sóng radio, … AC AC Đường trở về Hình 1.1: mô hình đường dây monopolar 19 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU AC + AC - Hình 1.2: mô hình đường dây bipolar AC AC Hình 1.3: mô hình đường dây Homopolar Hệ thống truyền tải HVDC bao gồm 3 loại chủ yếu sau: Đường dây đơn cực (Monopolar line): đường dây bao gồm một dây dẫn mang điện tích dương hoặc âm truyền công suất từ đầu phát đến đầu nhận. Trong hệ thống này, đất hay nước được dùng như đường trở về (Hình 1.

Đường dây lưỡng cực (Bipolar line): hệ thống gồm hai dây dẫn mang điện tích dương và điện tích âm. Mỗi đầu đều có bộ biến đổi điện áp định mức bằng nhau mắc nối tiếp về phía một chiều. Nếu trung tính là đất thì hai dây dẫn vận hành độc 20 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU lập. Bình thường hai dây vận hành với dòng đi ện bằng nhau nên dòng xuống đất là bằng không.

Trong hệ thống này nếu 1 dây gặp sự cố thì dây còn lại có thể mang ½ tải. Do đó hệ thống Bipolar vận hành ổn định hơn Monopolar nhưng chi phí lắp đạt cao hơn. Homopolar line: hệ thống bao gồm 2 hoặc nhiều hơn 2 dây dẫn. Các dây dẫn vận hành cùng điện cực và luôn luôn sử dụng đất làm đường trở về (Hình 1.3) Trong trường hợp xảy ra sự cố với một trong các dây dẫn khi đó các trạm đầu cuối vẫn được nối với các dây dẫn còn lại và đảm bảo công suất truyền tải được liên tục.

Trong thực tế, dạng cấu trúc đường dây truyền tải này rất ít được sử dụng vì chi phí đầu tư cao không hiệu quả về kinh tế. Việc tính toán tổn thất công suất vầng quang trên đường dây HVDC được gọi là tính toán phân bố trong không gian bao gồm điện trường và mật độ điện tích xung quanh vầng quang của đường dây. Các giá trị của điện trường và mật độ điện tích tại đất có vai trò quan trọng trong việc đánh giá tác động của đường dây truyền tải HVDC đến con người và môi trường xung quanh.6 Ý NGHĨA CỦA VIỆC PHÂN TÍCH TRƯỜNG ION HÓA (Ionized Field) Trong những năm gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật truyền tải điện một chiều. Các đường dây truyền tải một chiều vận hành với điện áp trên 500 kV phổ biến khắp thế giới.

Tuy nhiên, đường dây truyền tải DC vận hành trên giá trị điện áp khởi tạo vầng quang khi đó sẽ có sự xuất hiện của các ion và điện tích không gian được tạo ra xung quanh đường dây. Dưới tác động của điện trường, các điện tích không gian này chuyển hướng và lắp đầy vùng không gian xung quanh dây dẫn vì thế gây ra tổn thất công suất trên đường dây. Sự xuất hiện của các điện tích không gian làm phá vỡ cân bằng tự nhiên điện tích âm và điện tích dương trong không khí và kết quả là một vài yếu tố sinh học có thể bị tác động. Tất cả điều này đòi hỏi phải có những phân tích định lượng của trường bị ion hóa.

Trong trường hợp đường dây HVAC, do sự đổi chiều định kỳ của các phân cực của điện áp, do đó điện tích không gian được giữ giới hạn trong một khu vực nhất định gần đường dây.7 NỀN TẢNG VẬT LÝ CỦA TRƯỜNG ION HÓA Như đã đề cập ở trên, trường ion hóa có mối liên hệ với hiện tượng vầng quang. Theo “IEEE Standard of Electrical and Electric Terms” định nghĩa “vầng 21 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU quang là sự phóng điện phát sáng nhờ vào sự ion hóa không khí xung quanh dây dẫn bởi gradient điện áp vượt quá giá trị tới hạn nhất định”. Giá trị gradient điện áp (hoặc cường độ điện trường) và giá trị điện áp tương ứng gọi là điện áp (hoặc điện trường) khởi tạo vầng quang tương ứng. Hiện tượng phóng điện vầng quang chỉ có thể xảy ra trong trường hợp điện trường không đồng nhất.

Trong hệ thống truyền tải cao áp, đường kính của dây dẫn thì rất nhỏ so với chiều cao của dây dẫn và điện trường tăng rất cao gần bề mặt dây dẫn. Từ lý thuyết về ion hóa của Townsend [6] chỉ ra rằng các eletron gần dây dẫn có thể đạt được động năng đủ lớn từ điện trường và ion hóa các phân tử không khí do va chạm. Điều này tạo thành thác điện tích bao gồm các electron và ion dương. Sự phóng điện vầng quang xảy ra khi các thác điện tích này trở nên tự duy trì.

Khi đó cường độ điện trường giảm mạnh ở vùng xa với bề mặt dây dẫn. Khi đó sự phóng điện chỉ hạn chế tại lớp mỏng xung quanh dây dẫn và được gọi là lớp ion hóa. Vầng quang trên đường dây truyền tải tùy thuộc vào phân cực của dây dẫn mà ta có vầng quang điện thế dương và vầng quang điện thế âm. Vầng quang trong cấu trúc đường dây mang điện thế dương và đất tạo thành các tia lửa và xung phát sáng xảy ra một cách ngẫu nhiên.

Khi điện áp dây dẫn càng lớn, các xung này xảy ra thường xuyên hơn và tạo thành các xung phát sáng ở gần dây dẫn. Các electron được tạo ra trong lớp ion hóa được hút về phía dây dẫn, các ion dương di chuyển ngược về phía xuống đất. Trong trường hợp dây dẫn mang điện âm, sự phóng điện xung xảy ra thường xuyên hơn gọi là xung Trickle, tần số của các xung này tùy thuộc vào điện áp của dây dẫn, điện áp càng cao thì các xung Trickle được tạo ra đều đặn hơn. Các electron tạo ra từ lớp ion hóa nhanh chóng lắp đầy lớp không khí xung quanh.

Các ion âm di chuyển về đất trong khi các ion dương di chuyển về phía dây dẫn để trung hòa các ion âm. Như đã biết, khi vầng quang xảy ra trên đường dây monopolar, lớp ion hóa xung quanh dây dẫn đóng vai trò như vùng t ạo ra các điện tích không gian cùng cực với vầng quang dây dẫn. Vì thế toàn bộ khoảng không gian giữa dây dẫn và đất được lắp đầy các điện tích này. Vận tốc di chuyển của các điện tích này phụ thuộc 22 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU vào độ lớn điện trường kE (hoặc – kE) với k là độ chuyển động của các ion và E là cường độ điện trường.

Khi đó mật độ dòng vầng quang được tính như sau: j = k||E Trong đó  là mật độ điện tích không gian. Trong trường hợp đường dây bipolar với hai dây dẫn vận hành song song nhau và song song với đất có cực trái dấu nhau, khi đó các điện tích âm và điện tích dương được tạo ra tại vùng gần 2 dây dẫn. Các điện tích không gian được tạo ra từ dây dẫn này di chuyển về phía dây dẫn kia và ngược lại khi đó các điện tích không gian này lắp đầy khoảng không và xảy ra hiện tương tái kết hợp. 23 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRƯỜNG ION HÓA CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VẦNG QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 LÝ THUYẾT VẦNG QUANG Trong chương này giới thiệu vắn tắt về nền tảng vật lý của vầng quang một chiều.

Quá trình hình thành vầng quang trên dây dẫn. Như đã trình bày ở phần trước, vầng quang là sự phóng điện một phần nó xảy ra tại lớp không khí lân cận của dây dẫn nhưng không đánh thủng điện trường. Điều này có thể xảy ra dọc chiều dài đường dây dẫn, hoặc tại các vùng xung quanh các điểm có hình dạng bất thường trên bề mặt dây dẫn điện áp cao. Với giá trị điện cao áp truyền tải trên đường dây, vầng quang bắt đầu khi điện trường tại các vùng lân cận xung quanh đường dây đạt đến giá trị phá hủy không khí.

Lớp vầng quang xung quanh đường dây truyền tải gọi là lớp ion hóa. Lớp ion hóa xung quanh dây dẫn thẳng như hình 2. Trong đó điện trường của lớp ion hóa là  lớn hơn điện trường của các electron do va đập . Tùy thuộc vào sự sắp xếp của dây dẫn trên đường dây truyền tải mà lớp ion hóa thường không đối xứng qua dây dẫn.

Trong thực tế, bề dày của lớp ion hóa này được bỏ qua vì nó quá nhỏ so với chiều cao của dây dẫn so với đất. 24 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRƯỜNG ION HÓA Lớp ion hóa Hình 2.1: Cấu trúc lớp ion hóa xung quanh dây dẫn Quá trình phóng điện bên trong lớp ion hóa tùy thuộc vào độ phân cực của điện áp và vầng quang trên dây dẫn mang điện âm và dương là khác nhau.1 Vầng quang tại điện cực dương Khi điện áp dây dẫn tương đối cao hơn giá trị điện áp khởi tạo vầng quang, độ lớn điện trường xung quanh dây dẫn đủ mạnh để làm tăng tốc các electron tự do tại lớp ion hóa di chuyển về phía điện cực dương. Các electron này đạt được đủ năng lượng và ion hóa các phân tử không khí do va chạm. Bỏ lại một ion dương phía sau, các electron mới hình thành tiếp tục di chuyển dọc theo điện trường và lặp lại sự va chạm hình thành nên thác đi ện tích.