Bài báo trình bày khả năng ứng dụng của
phương pháp phần tử hữu hạn trong việc mô
phỏng trường nhiệt và tính toán khả năng mang
dòng của ñường dây truyền tải trên không. Ưu
ñiểm của việc sử dụng phương pháp phần tử
hữu hạn là nó cho phép chúng ta quan sát và
giám sát trực quan ñược phân bố trường nhiệt
xung quanh dây dẫn, và nó cũng cho kết quả
tính toán chính xác của khả năng mang dòng của
ñường dây. Bài báo cũng trình bày ñược các kết
quả nghiên cứu của ảnh hưởng ñiều kiện môi
trường ñến trường nhiệt và khả năng mang dòng
của ñường dây truyền tải trên không. ðây là vấn
ñề mà ngành ñiện hết sức quan tâm trong vận
hành mạng truyền tải và phân phối ñiện.
14 trang |
Chia sẻ: linhmy2pp | Lượt xem: 264 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Tính toán trường nhiệt và Ampacity của đường dây truyền tải điện trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014
Tính toán tr ưng nhi t và Ampacity c a
ñưng dây truy n t i ñin trên không b ng
ph ươ ng pháp ph n t h u h n
• Võ V ăn Hoàng Long
Tr ưng Cao ñng LILAMA 2, ðng Nai
• Vũ Phan Tú
ðHQG-HCM
(Bài nh n ngày 22 tháng 10 n ăm 2013, hoàn ch nh s a ch a ngày 16 tháng 1 n ăm 2014)
TÓM T T:
S bùng n dân s và n n kinh t qu c toán kh năng mang dòng c a ñưng
dân là hai nguyên nhân chính d n ñn vi c dây là d a trên c ơ s tính toán tr ưng
gia t ăng nhu c u s dng ñin n ăng. Bên nhi t c a nó ñưc th hi n ñy ñ trong
cnh ñó, vi c xu t hi n các ngu n phát phân các b tiêu chu n IEEE [1], IEC [2] ho c
b cũng làm t ăng ñáng k công su t truy n CIGRE [3]. Trong bài báo này, chúng tôi
trên ñưng dây ñin. Thông th ưng, ñ gi i trình bày m t ti p c n m i ñó là vi c ng
quy t các v n ñ trên, ngành ñin s xây l p dng ph ươ ng pháp ph n t hu h n
các tuy n ñưng dây truy n t i và phân ph i trên n n c a ph n m m Comsol
mi ñ nâng cao kh năng truy n t i ñin, Multiphysics cho vi c mô ph ng tr ưng
cung c p ñy ñ nhu c u ph ti ñin. Tuy nhi t c a ñưng dây truy n t i ñin trên
nhiên, trong m t s tr ưng h p, vi c xây m i không. ðc bi t, chúng tôi kh o sát nh
này s nh h ưng ñn môi tr ưng và th m hưng c a ñiu ki n môi tr ưng nh ư v n
chí hi u qu kinh t không cao. V n ñ ngày tc gió, h ưng gió, nhi t ñ và h s
nay ñưc xem xét là làm sao s dng hi u bc x môi tr ưng ñn ñưng ñin hình
qu ñưng dây truy n t i và phân ph i ñin là dây nhôm lõi thép. Vi c so sánh gi a
hi n h u thông qua vi c tính toán và giám kt qu s ca chúng tôi v i k t qu tính
sát kh năng mang dòng c a nó t i nhi t ñ theo tiêu chu n IEEE cho th y tính chính
cao h ơn, và nh ư th vi c s dng t i ưu xác và kh năng áp d ng c a ph ươ ng
ñưng dây s mang l i hi u qu kinh t cao pháp ph n t hu h n cho vi c tính toán
cho các công ty ñin. T ng quát, vi c tính tr ưng nhi t c a ñưng dây trên không.
Keywords: ñưng dây truy n t i cao th , tr ưng nhi t, kh năng mang dòng.
1. GI I THI U –DG) trên c ơ s ca công ngh năng l ưng tái
to nh ư gió, sinh kh i, n ăng l ưng m t tr i,
Chi n l ưc toàn c u v vi c gi m khí th i
sóng bi n,Các ngu n DG này ñưc kt n i
CO ñã tác ñng m nh m ñn vi c phát tri n
2 vào m ng phân ph i ñin, dn ñn m t s gia
các ngu n ñin phân tán (Distributed Generation
tăng ñáng k công sut truy n trên ñưng dây.
Trang 16
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014
Strbac [4] cho th y r ng s phát tri n c a các h ph n b c hai trong không gian ba chi u (3D).
th ng ñin trong t ươ ng lai ñòi h i ph i có nh ng Trong th c t , do chi u dài dây dn th ưng là
thay ñi l n ñi v i tri t lý thi t k tng th . ln h ơn r t nhi u so v i bán kính ca nó, nên ñ
Cu trúc c a mng truy n t i và phân ph i ñin ñơ n gi n trong vi c tính toán ng ưi ta chuy n
ph i ñưc thi t k ñc bi t phù h p cho vi c vi c kh o sát tr ưng nhi t trong mi n 3D v
truy n t i m t l ưng l n công su t và ñm b o mi n hai chi u (2D). Cho ñn ngày nay, vi c
ñ tin c y c a h th ng ñin. Tác ñng c a s gi i ph ươ ng trình truy n nhi t này ch yu ñưc
phát tri n c a DG vào m ng phân ph i ñòi h i th c hi n b ng hai ph ươ ng pháp ñó là ph ươ ng
ph i có nh ng thay ñi ñáng k trong s phát pháp gi i tích và ph ương pháp s .
tri n c a h th ng ñin ñ tích h p ñy ñ DG
Ph ươ ng pháp s , nh ư phươ ng pháp sai phân
và chia s trách nhi m trong vi c cung c p các
hu h n (FDM), ph ươ ng pháp ph n t hu h n
dch v h tr h th ng (ví d nh ư ph ti, t n
(FEM), ph ươ ng pháp ph n t biên (BEM),
s và ñin áp quy ñnh). Bên c nh ñó, nhu c u
ph ươ ng pháp th tích h u h n (FVM), ph ươ ng
phát tri n ph ti do vi c gia t ăng dân s và s
pháp không l ưi (Meshfree method) –[14] vi
phát tri n c a n n kinh t qu c gia ñã bu c
ưu ñim c a nó là t o nên l i gi i s có ñ chính
ngành ñin ph i có nh ng bi n pháp làm tăng
xác cao cho các bài toán k thu t, ñc bi t là
kh năng truy n t i c a c h th ng ñin qu c
trong các mi n hình h c ph c t p n ơi mà không
gia. Vi c này, trên th c t , th ưng ñưc th c
th tìm ñưc l i gi i gi i tích, ñã và ñang ñưc
hi n b ng vi c xây l p m i các tuy n, m ng
ng d ng cho vi c gi i các bài toán truy n nhi t
truy n t i và phân ph i ñin.
trong cáp ng m [5]-[8], ñưng dây trên không
Ngày nay trên th gi i, quan ñim xây m i [9]-[10].
các tuy n ñưng dây ñang ñưc thay th bi
Trong bài báo này, ti p t c các công trình
vi c nghiên c u tính toán kh năng mang dòng
nghiên c u ca chúng tôi v tính toán tr ưng
(Ampacity) ca các ñưng dây hi n h u, và trên
nhi t c a cáp ng m [7]-[8], chúng tôi trình vi c
cơ s ñó vn hành chúng t i các nhi t ñ cao
áp d ng ph ươ ng pháp ph n t hu h n cho tính
hơn tiêu chu n. Ti p c n này s cho phép h
toán tr ưng nhi t và ampacity ca ñưng dây
th ng ñin v n hành g n v i gi i h n truy n t i
truy n t i ñin trên không dây nhôm lõi thép.
công su t c a nó nh ưng v n b o ñm tính n
ðc bi t, chúng tôi kh o sát nh h ưng c a y u
ñnh c a h th ng, và nh ư th h th ng ñin s
t môi tr ưng nh ư t c ñ gió, h ưng gió, nhi t
ñáp ng ñy ñ nhu c u ph ti và ñc bi t là
ñ môi tr ưng ñn kh năng mang dòng c a
gi m ñáng k chi phí v n hành. Vì vy, m t s
ñưng dây. Ph n cu i là s so sánh các k t qu
hi u bi t v phân b tr ưng nhi t bên trong,
tính toán ca chúng tôi ñưc so sánh v i các k t
xung quanh dây d n và y u t môi tr ưng mà t i
qu ñưc tính b ng công th c trong tiêu chu n
ñó các bi n ñi nhi t này s cho phép qu n lý
IEEE –[1].
hi u qu mng truy n t i và phân ph i ñin là
bt bu c ñi v i cá nhà nghiên c u, tính toán 2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
thi t k ñưng dây. 2.1. Ph ươ ng trình truy n nhi t c a ñưng
Tng quát, kh năng mang dòng c a ñưng dây trên không.
dây trên không c ũng nh ư cáp ng m là ñưc tính Tng quát, ñ xác ñnh ph ươ ng trình truy n
toán d a trên s phân b nhi t xung quang dây
nhi t c a ñưng dây truy n t i ñin trên không,
dn. S phân b nhi t này ñưc bi u di n, trong
chúng ta ph i kh o sát nó trong không gian 3D
toán h c, d ưi d ng ph ươ ng trình vi phân riêng
nh ư trên Hình 1 - [10].
Trang 17
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014
∂2T ∂ 2 T 1 ∂ T
k+ + P =
∂x2 ∂ y 2 λ ∂ t
(1)
Trong tr ng thái n ñnh, ngh ĩa là không có
s bi n thiên nhi t theo th i gian, (1) ñưc vi t
li nh ư sau
∂∂22TT ∂∂ 22 TT
k+ +=⇔ P0 + +ρ P = 0
∂∂xy22 ∂∂ xy 22
(2)
Nh ư v y, (2) chính là ph ươ ng trình mô t
phân b nhi t ho c tr ưng nhi t ca dây d n
trong tr ng thái n ñnh. Ngoài ra, ñ ñơ n gi n
Hình 1. Kh i vi phân trong phân tích truy n nhi t trong v n ñ tính toán, m t s gi thi t sau ñưc
ch p nh n
Trong ñó:
- ð dn nhi t c a môi tr ưng không khí là
o
• kx (W/ C/m) – ñ dn nhi t c a môi hng s (môi tr ưng ñng nh t).
tr ưng theo h ưng x.
- Ngu n nhi t ñưc phân b ñu trên b mt
• 1 (oCm/W) – nhi t tr su t c a
ρ x = dây d n.
môi tr ưng theok x h ưng x.
2.2. Kh năng mang dòng ca ñưng dây
dT o
• ( C/m) – gradient nhi t ñ theo trên không
hưng xdx.
Kh năng mang dòng ca ñưng dây trên
• (W/m 3) – nhi t l ưng to ra trong m t
P không là dòng n ñnh cho phép l n nh t mà
ñơ n v th tích.
ñưng dây có th ch u ñưc trong su t th i gian
dT
• P= − k (W/m 2)– thông l ưng dài. Nó ph thu c vào v t li u dây d n và các
x x dx
ngu n nhi t theo h ưng x, theo lu t Fourier. yu t môi tr ưng nh ư nhi t ñ, tc ñ gió,
• (J/kg/ oC) – nhi t dung riêng c a v t hưng gió, nhi t b c x ngh ĩa là nó ph thu c
C p
li u môi tr ưng. vào v t li u và phân b tr ưng nhi t xung quang
k dây d n.
• λ = - ñ khu ch tán nhi t c a v t
li u. C p C hai ph ươ ng pháp tính ñưc trình bày
3 trong IEEE và CIGRE ñu d a trên c ơ s ca
• γ (kg/m ) – mt ñ kh i c a v t li u môi
tr ưng. nguyên lý cân b ng nhi t trong tr ng thái xác
lp, ngh ĩa là ñ tăng nhi t chính b ng t n th t
Nh ư ñã trình bày trong ph n gi i thi u, trong
nhi t. Theo CIGRE, nguyên lý này ñưc trình
th c t , chi u dài c a dây dn (theo tr c z)
bày b i bi u th c sau –[3]
th ưng ln h ơn r t nhi u so v i ñưng kính c a
nó. Vì v y, ñ thu n ti n cho vi c tính toán PPP++ += PPPP ++ (3)
j s M i r cW
nh ưng v n không ñánh m t tính t ng quát c a
bài toán, ph ươ ng trình truy n nhi t c a ñưng Trong ñó,
dây truy n t i ñin trên không có th ñưc bi u
di n trong 2D nh ư sau
Trang 18
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014
Lưng h p th ánh sáng m t tr i c a dây
• Pj là ñ tăng nhi t bi hi u ng Joule,
dn ph thu c vào cưng ñ ánh n ng m t tr i,
Ps là ñ tăng nhi t do b c x mt tr i, PM là ñ
góc ph ươ ng v ca m t tr i, v trí t ươ ng ñi gi a
tăng nhi t do cng h ưng t, Pi là ñ tăng nhi t
mt tr i và dây d n, ñưng kính dây d n, h s
bi hi u ng v ng quang (ion hoá).
hp th ca b mt dây d n, chi u cao c a dây
dn so v i m c n ưc bi n –[1].
• Pr là t n th t nhi t do b c x , Pc là t n
th t nhi t do ñi l ưu, PW là t n th t nhi t do bay ð tăng nhi t dây d n do b c x mt tr i
hơi. ñưc xác ñnh b ng bi u th c sau
và theo IEEE, (3) ñưc vi t g n l i nh ư sau αk Qsin ( θ ) D
P = s s s (7)
-[1] s 1000
Pj+ P s = P r + P c (4) Trong ñó:
θ =arccoscos( H )cos( ZZ − )
Nh ư v y, tiêu chu n IEEE b qua ba thành ( c c 1 )
ph n ñ tăng nhi t do tr ưng t , ñ tăng nhi t
αs là h s hp th ca b mt dây d n ph
bi hi u ng v ng quang và tn th t nhi t do
thu c vào v t li u và tu i th ca dây d n, D là
bay h ơi.
ñưng kính c a dây d n [mm], ks là h s ph
2.2.1. Nhi t do hi u ng Joule thu c vào chi u cao c a dây d n so v i m c
nưc bi n, QS là thông l ưng c a m t tr i [W/
Tng quát, nhit ñ ñưng dây Pj ph thu c
m2], θ là góc ti hi u qu ca các tia m t tr i [o,
vào ñin tr và dòng ñin ch y trong dây dn
rad] H là góc chi u cao mt tr i [ o], Z là góc
ñưc tính toán b i ph ươ ng trình sau c c
o
ph ươ ng v ca m t tri [ ], Z1 là góc ph ươ ng v
P= I2 R . (5) ñư o
j AC c a tr c ng dây [ ].
Trong ñó, I là dòng ñin ch y trong dây dn Nhi t t ánh n ng m t tr i thay ñi theo các
ñiu ki n th i ti t, ñ sch và m ca không khí,
[A], RAC là ñin tr xoay chi u c a dây d n ti
nhi t ñ kh o sát [/m] và ñưc tính bi vĩ ñ ña lý và theo mùa. V mt ña lý, nhi t do
mt tr i chi u lên dây d n ph thu c ch yu
RR=1 +α ( TT − ) (6) vào ñ cao và góc ph ươ ng v ca m t tr i v i
AC ACT, 0 C o
góc ph ươ ng v ca dây dn. Trong bài báo này,
R là ñin tr AC c a dây d n nhi t ñ
AC,To chúng tôi s s dng các s li u tính toán theo
T [ 20 oC; 293 oK], T là nhi t ñ trên b mt dây
o c tiêu chu n IEEE -[1] ñ xác ñnh t ng thông
dn [oC, K], α là h s nhi t c a ñin tr [K -1]
lưng nhi t c a m t tr i tác d ng lên b mt dây
ph thu c vào v t li u dây d n, thông th ưng
dn.
dây nhôm (Al) ho c nhôm lõi thép (ACSR)
ñưc s dng ñ làm ñưng dây truy n t i ñin 2.2.3. Tn th t nhi t b c x
trên không, do ñó có th xác ñnh giá tr ca α = Tn th t nhi t do b c x Pr là mt ph n
-1
(0,0036 ÷ 0,00403)K . trong t n th t nhi t tng c a dây d n, nó ph
2.2.2. Nhi t do bc x mt tr i thu c vào nhi t ñ trên b mt dây d n, nhi t ñ
môi tr ưng xung quanh dây d n, ñưng kính
Trang 19
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014
dây d n và h s phát x ca b mt dây d n Vi c là nhi t riêng c a không khí [J/kgK],
theo bi u th c sau là ñ nh t ñng h c c a không khí [kg/ms].
4 4 3
PDT=π εδ +−+273 T 273 (8) gD( TC− T a )
r BC()() a G r = - s Grashof
2
()T f + 2 7 3 ν
Trong ñó Pr là t n th t nhi t do b c x
[W/m], ε là h s phát x thay ñi trong ph m vi ñây, nhi t ñ trung bình c a dây d n là
T=0.5 T + T
t 0.27 ñn 0.95, δB là h ng s Stefan – f( C a )
-8 2 4
Boltzmann (5,67x10 W.m .K - [12]), Ta là
2.2.4.1. Làm mát do ñi l ưu t nhiên
nhi t ñ ca môi tr ưng xung quanh dây d n.
Quá trình làm mát do ñi l ưu t nhiên x y ra
2.2.4. Tn th t nhit ñi l ưu
khi t c ñ gió ñưc xem nh ư b ng không và nh ư
Tn th t nhi t ñi l ưu ñưc xác ñnh nh ư sau th nó ñưc xác ñnh b i bi u th c sau
P=π DhTT( −=) πλ ( TTNu − ) (9) Nu= CGrPr( ) n = CRa n (11)
c cCa fCa f f f
Trong ñó Pc là tn th t nhi t do ñi l ưu Trong ñó: Ra f = (Gr.Pr) f là s Rayleigh.
[W/m], D là ñưng kính dây d n, λf là nhi t d n
-1 -1 Các thông s trong (11) ñưc ch n theo nhi t
su t c a không khí [W.m .K ], hc là h s
ñ Tf . Nhi t ñ thông th ưng c a các dây d n
truy n nhi t ñi l ưu [W/m 2.K] và th ưng ñưc
trên không là nm trong kho ng t 0oC ñn
tính theo công th c th c nghi m.
120 oC . Theo lý thuy t truy n nhi t chúng ta có
S Nusselt có d ng nh ư sau –[11] 2 5
10 ≤ (Gr.Pr) f ≤ 3x10 và trong ph m vi này
(Gr.Pr) ca s Nusselt cho ñi l ưu t nhiên cho
Nu= f( R, GrPr , ) (10) f
e bi bi u th c
h D
c Nu= 0,54( GrPr ) 1/ 4 (12)
Trong ñó: Nu = f
λ f
Ngoài ra, quá trình làm mát do ñi l ưu t
Bên c nh s Nu ñưc tính b i (10), m t vài
nhiên còn ñưc xác ñnh theo bi u th c sau– [1]
h s cũng ñưc s dng ñ tính toán t n th t
nhi t ñi l ưu ñưc trình bày trong [1], [3] nh ư P=0,0205ρ 0,5 DTT 0,75 ( − ) 1,25 (13)
cn f Ca
sau
Vi ρf: là m t ñ ca không khí nhi t ñ Tf.
ρ rV w D
Re = - s Reynolds. 2.2.4.2. Làm mát do ñi l ưu c ưng b c
ν
ði v i tr ưng h p gió tác ñng theo
ñây Vw là t c ñ gió [m/s], ν là ñ nh t
2 ph ươ ng ngang vi tr c dây d n, ngh ĩa là theo
ñng h c [m/s ], ρr là m t ñ không khí t ươ ng
mt hưng b t k ỳ t 0 ñn 90 o, chúng ta có bi u
ñi (ρr= ρ/ ρo, ñây ρ là m t ñ không khí t i
th c sau
ñ cao kh o sát, ρo là m t ñ không khí t i m t
bi n). 0,52
Dρ V
P=1,01 + 0,0372 f w kkTT −
c1 fa() C a
c µ µ f
P r = - s Prandtl
λ (14)
f
Trang 20
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014
0,6 Mt ñiu khác bi t khi tính toán ampacity
Dρ V
f w
Pc 2 =0, 0119 kkTTfa() C − a ca ñưng dây trên không và cáp ng m là ñi
µ f
vi cáp ng m do kho ng cách gi a các dây bé
(15) nên chúng ta ph i kh o sát tr ưng nhi t sinh ra
bi c h th ng cáp, ngh ĩa là có nghiên c u nh
ñ k ư ñư
ây a là h s h ng gió và c xác hưng t ươ ng h nhi t gi a các dây v i nhau,
ñ
nh theo bi u th c sau còn vi ñưng dây trên không, do kho ng cách
1,194− cos(θ ) + 0,194cos(2 θ ) gi a các dây l n và tăng theo c p ñin áp, nh
k = (16)
a +0,368sin(2θ ) hưng nhi t gi a các dây dn rt bé và có th b
qua, do ñó chúng ta ch kh o sát cho m t dây
Vi θ là góc c a h ưng gió so v ơi tr c dây
dn thay vì kh o sát c h th ng ñưng dây trên
o
dn [ , rad]. không.
ư ư
Trong tr ng h p khi h ng gió là song ð thu n tiên cho vi c tính toán, dây d n
Nu
song v i tr c dây d n thì s Nusselt có th ñưc gi thi t là ñt trong m t mi n không khí
ñưc xác ñnh theo công th c sau - [3] hình vuông có kích th ưc ñ ln ñ không gây
Nu =1,5035 × Re 0,3038 (17) ra hi u ng vách trên dòng ch y không khí xung
quanh dây d n. ñây, chúng ta ch n kích th ưc
Tóm l i, trong tr ưng h p t ng quát h s 1mx1m nh ư trên Hình 2. - [9].
ñi l ưu ñưc tính theo bi u th c (10). Trong
tính toán th c t , tùy vào t ng tr ưng h p c th
mà chúng ta s s dng công th c tính tn th t
nhi t ñi l ưu m t cách thích h p. Ví d nh ư
trong tr ưng h p tc ñ gió b ng không thì t n
th t nhi t ñi l ưu là t nhiên; tr ưng h p tc ñ
gió khác không, nu gió theo ph ươ ng ngang vi
dây d n thì t n th t nhi t ñi l ưu ñưc ch n là
giá tr ln nh t c a (14) và (15), nu gió có
hưng song song v i tr c dây d n thì t n th t
nhi t ñi l ưu ñưc tính theo bi u th c (17). Hình 2. Mô hình min không khí kh o sát xung
quanh dây d n trên không.
T ph ươ ng trình (4) chúng ta xác ñnh kh
Trong bài báo này, chúng tôi kh o sát ñưng
năng mang dòng ca dây d n trên không theo
dây truy n t i trên không ki u dây nhôm lõi thép
bi u th c sau –[1]
(ACSR) A1/Sxy v i các s li u nh ư sau - [5]:
P P P Lo i dây là Drake - 26/7; ðưng kính t ng ca
r+ c − s (18)
I = o
RAC nó là 28,1mm; ðin tr AC nhi t ñ 25 C
bng 72,83 /m; ðin tr AC nhi t ñ 75 oC
3. KT QU TÍNH TOÁN
là 86,88 /m; Nhi t ñ cho phép t i ña c a
o
3.1. Tính toán tr ưng nhi t ca dây d n trên dây d n là Tcmax = 100 C.
không
Ngoài ra, các ñiu ki n môi tr ưng và dòng
ti ñưc ch n nh ư sau: C ưng ñ chi u sáng c a
Trang 21
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014
mt tr i là S = 900W/m 2; h s hp th ca b Kt qu mô ph ng nh ư trên Hình 3. cho
mt b ng αs = 0,5; h s bc x ca b mt là ε chúng ta th y nhi t ñ nóng nh t trên b mt
o
= 0,5; tc ñ gió ngang: là Vw = 0,61m/s; nhi t dây d n là Tc = 99,366045 C, nó thì th p h ơn
o
ñ ca môi tr ưng b ng Ta = 40 C; ñưng dây nhi t ñ cho phép danh ñnh ñưc tính theo IEC
theo h ưng ñông tây v i góc ph ươ ng v là Z1 = 61597 là 1,5% , và 0,64% so vi IEEE (IEEE -
o o
90 ; vĩ ñ là 30 ñ bc; môi tr ưng khí quy n 738 là TCp = 100 C). Kt qu này cho th y tính
sch; ñ cao m t tr i ( Hc) vào 11 gi ngày 10 chính xác c a ph ươ ng pháp ph n t hu h n.
tháng 6; ñ cao trung bình c a dây d n là 100m; Bên c nh ñó nó còn th hi n ưu ñim c a
h s dn nhi t c a không khí là k = ph ươ ng pháp ph n t hu h n là chúng ta d
0,0291W/(K.m); mt ñ không khí ρ = 1,029 dàng quan sát phân b tr ưng nhi t xung quanh
3
kg/m ; công su t t a nhi t c a không khí Cρ = dây d n, ñc bi t hi u qu cao khi chúng ta kh o
1,005 kJ/(kg.k); h s ñi l ưu h = 15,5 sát s thay ñi c a y u t môi tr ưng ñn tr ưng
2
(W/m .K); ñ tăng nhi t ñ bi Joule Pj = 94 nhi t xung quanh dây d n. ðây là ñiu mà
W/m; ñ tăng nhi t do b c x mt tr i Ps =14,36 ph ươ ng pháp gi i tích và tiêu chu n không th
W/m. hi n ñưc.
Kt qu mô ph ng tr ưng nhi t xung quanh
dây d n trên không bng ph ươ ng pháp ph n t
hu h n ñưc cho nh ư trên Hình 3. ñó, chúng
ta có th nh n th y rng do gió th i theo ph ươ ng
ngang so v i tr c c a dây d n nên các ñưng
ñng nhi t b bi n d ng phía sau dây d n, và
nh ư v y ñim có giá tr nhi t ñ cao nh t (nóng
nh t) c a dây d n s nm phía bên kia c a dây
dn so v i h ưng tác ñng c a gió ti dây d n.
Hình 4. ð th nhi t ñ khi c t ngang b mt dây
Drake theo phươ ng x
Hình 4 là k t qu mô ph ng giá tr tr ưng
nhi t xung quanh dây d n t i m t c t ngang b
mt dây d n, theo các ñ cao t ươ ng ng là v trí
ngay b mt dây d n và m t v trí b t k ỳ. Kt
qu tính toán cho th y ñưng phân b nhi t hai
bên dây d n theo phươ ng ngang (tr c x), và nó
cũng cho th y r ng v trí càng g n dây d n thì
nhi t ñ càng cao. Ngoài ra, do gió th i ngang
Hình 3. Phân b nhi t xung quanh dây d n Drake
tr c dây d n nên nhi t ñ phía bên trái dây d n
bng FEM
s cao h ơn phía bên tay ph i. S khác bi t nhi t
ñ này th hi n rõ r t t i các ñim xa dây d n,
và nó s gi m d n khi ti n t i g n b mt dây
Trang 22
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014
dn, ti ñó nhi t ñ s là ln nh t trong mi n ñây, nhi t ñ cho phép t i ña trên b mt
o
tính toán, t ươ ng ng v i Hình 3. dây d n ñưc cho là TCpmax = 80 C.
Tng quát, sau khi tính toán ñưc tr ưng
3.2. Kh năng mang dòng c a dây d n trên
nhi t xung quanh dây d n, chúng ta s tính ñưc
không có xét tác ñng c a ñiu ki n môi ampacity c a ñưng dây trên không b ng vi c
tr ưng s dng (18). Trong m c này, chúng tôi s s
dng FEM tính tr ưng nhi t và ampacity c a
ph n trên, chúng ta ñã tính toán nhi t ñ ñưng dây trên không. K t qu s ca chúng tôi
ca dây d n b ng ph ươ ng pháp ph n t hu h n s ñưc so sánh v i k t qu ñưc tính theo
vi các ñiu ki n gi ñnh theo IEEE – 738 - [1]. ph ươ ng pháp gi i tích nh ư trong tiêu chu n
Kt ñt ñưc cho th y ñ tin c y cao khi s IEEE –[1].
dng ph ươ ng pháp ph n t hu h n. 3.2.1. nh h ưng c a t c ñ gió
ð ti p t c ch ng minh kh năng áp d ng và Trong m c này, chúng tôi nghiên c u nh
tính hi u qu ca ph ươ ng pháp ph n t hu h n, hưng c a t c ñ gió ñn kh năng mang dòng
trong m c này, chúng tôi s tính toán ampacity ca ñưng dây trên không. K t qu tính toán
ca ñưng dây trên không d ưi nh h ưng c a bng FEM và IEEE ñưc trình bày nh ư trên
các ñiu ki n môi tr ưng nh ư là s thay ñi c a Hình 5. V mt lý thuy t, chúng ta bi t r ng khi
tc ñ gió, h ưng gió so v i tr c dây d n, nhi t tc ñ gió thay ñi nó s nh h ưng tr c ti p
ñ môi tr ưng xung quanh dây d n, h s bc ñn h s ñi l ưu c a không khí, nh ư th nó s
xðiu ki n th i ti t, nhi t ñ môi tr ưng và dn ñn t n th t nhi t ñi l ưu thay ñi và là
thông s dây d n ñưc l a ch n cho tính toán nguyên nhân làm cho ampacity c a dây d n
trong tr ưng h p này là dây A3 – 400 – [2], t t cũng thay ñi theo. K t qu trình bày trên Hình
c ñưc trình bày trong B ng 1. 5. cho th y s thay ñi ampacity c a dây d n
Các thông s v môi tr ưng ñưc ch n nh ư theo t c ñ gió, nó ñưc th i theo ph ươ ng ngang,
o
sau: h s dn nhi t c a không khí k = 0,0283 hưng 90 , so v i tr c dây d n. K t qu tính
W/(K.m); m t ñ không khí ρ = 1,076kg/m 3; toán này cho th y khi t c ñ gió càng l n thì
kh năng mang dòng c a dây d n càng cao, xem
công su t t a nhi t c a không khí Cρ = 1,005
kJ/(kg.k); h s ñi l ưu h = 14 (W/m 2.K); ñ trong B ng 2 v 3.
tăng nhi t ñ bi Joule Pj =49 W/m; ñ tăng
nhi t do b c x mt tr i Ps =15,12 W/m.
Bng 1 . S li u v ñiu ki n th i ti t, nhi t
ñ môi tr ưng và thông s dây d n.
Hình 5. Kh năng mang dòng c a dây d n trên
không thay ñi theo t c ñ gió ñưc tính b i FEM và
IEEE.
Trang 23
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014
3.2.2. nh h ưng c a h ưng gió năng mang dòng c a dây d n, trong ph n này,
chúng tôi s kh o sát h ưng gió thay ñi trong
Nh ư k t qu trình bày trong M c 3.1., h ưng
kho ng 40 o ñn 90 o so v i tr c dây d n. Kt qu
gió s làm méo d ng phân b tr ưng nhi t c a
tính toán b ng FEM và IEEE ñưc trình bày nh ư
dây d n, và là nguyên nhân làm thay ñi kh
trên Hình 6, và trong các B ng 4.-5.
năng mang dòng c a dây d n. ð kh o sát chi
ti t h ơn m c ñ tác ñng c a h ưng gió ñn kh
Bng 2. H s ñi l ưu và ngu n nhi t t i ña c a dây d n khi t c ñ gió thay ñi
Tc ñ gió
0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(m/s)
H s ñi lưu
14 19,95 28,47 35 40,7 45,6 50,15 54,31 58,19 61,85 65,31
(W/m2.K)
Ngu n nhi t Pj
49 69,85 99,82 123 142,8 160,3 176 190,7 204,4 217,3 229,5
(W/m)
Bng 3. Kt qu ñưc tính nhi t ñ và Ampacity b ng FEM khi t c ñ gió thay ñi
Tc ñ gió
0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(m/s)
Nhi t ñ dây
78,95 79,18 79,4 79,5 79,5 79,6 79,6 79,67 79,69 79,7 79,73
dn ( oC)
Dòng t i c c
ñi (A) - 751 897 1071 1189 1281 1357 1423 1480 1533 1580 1624
FEM
Bng 4. H s ñi l ưu và ngu n nhi t c c ñi c a dây d n khi h ưng gió thay ñi
Hưng gió ( ñ) 40 50 60 70 80 90
H s ñi l ưu (W/m2.K) 16,4 17,5 18,2 18,75 19,23 19,95
Ngu n nhi t Pj (W/m) 58 61,94 64,45 66,15 67,83 70,37
Bng 5. Kh năng mang dòng c a dây d n trên không thay ñi theo h ưng gió
ñưc tính b ng FEM và IEEE
Hưng gió ( o) 40 50 60 70 80 90
Nhi t ñ dây d n ( oC) - FEM 79,1 79,2 79,24 79,14 79,16 79,18
Dòng t i c c ñi - FEM (A) 817 844 861 873 884 990
Dòng t i c c ñi - IEEE (A) 816 843 860 871 882 899
Bng 6. H s ñi l ưu và ngu n nhi t Pj khi thay ñi nhi t ñ môi tr ưng
Trang 24
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014
Tc ñ gió
0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(m/s)
H s ñi l ưu
14 19,95 28,47 35 40,7 45,6 50,15 54,31 58,19 61,85 65,31
(W/m2.K)
Pj1 80 111 156,6 192 221 247 271 293 314 333 352
Pj2 65 91,28 128,9 158 183 205 225 243 260 277 292
Pj3 49 69,85 99,82 123 142,8 160,3 176 190,7 204,4 217,3 229,5
Bng 7. Kt qu ca nhi t ñ dây d n và dòng t i tính toán b ng FEM và IEEE
Tc ñ gió
0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(m/s)
o
Tdd1 ( C) và 78,6 78,77 79,3 79,7 79,45 79,54 79,6 79,6 79,7 79,7 79,8
I1 (A) tính
bng FEM 959 1132 1342 1484 1595 1688 1767 1837 1900 1958 2011
o
TC1 ( C) và 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80
I1(A) tính
theo IEEE 958 1131 1340 1483 1594 1686 1765 1835 1899 1957 2010
o
Tdd2 ( C) và 78,8 79,18 79,44 79,6 79,67 79,8 79,8 79,78 79,78 79,95 79,92
I2 (A) tính
bng FEM 865 1024 1217 1348 1450 1535 1608 1672 1730 1783 1832
o 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80
TC2 ( C) và
I2(A) tính
theo IEEE 864 1023 1216 1347 1449 1533 1606 1671 1728 1781 1830
o
Tdd3 ( C) và 78,9 79,18 79,4 79,5 79,5 79,6 79,6 79,67 79,69 79,7 79,73
I3 (A) tính
bng FEM 754 900 1074 1192 1283 1359 1425 1483 1535 1582 1623
o
TC3 ( C) và 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80
I3(A) tính
theo IEEE 753 898 1073 1191 1282 1358 1424 1481 1533 1581 1624
Ghi chú:
o o o
Pj1 , Pj2 , và Pj3 là các ngu n nhi t t ươ ng ng v i nhi t ñ môi tr ưng là 20 C, 30 C, 40 C.
o o o
Tdd1 , Tdd2 , và Tdd3 là nhi t ñ ca dây d n tính b ng FEM v i nhi t ñ môi tr ưng là 20 C, 30 C, 40 C.
Trang 25
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014
rng nhi t ñ môi tr ưng t ăng s làm gi m kh
năng truy n nhi t t trong dây d n ra môi
tr ưng xuang quanh, ngh ĩa là kh năng làm mát
dây d n gi m. Nh ư v y nó s làm gi m giá tr
dòng ñin I ñưc tính theo(18).
Hình 6. Kh năng mang dòng c a dây d n trên
không thay ñi theo h ưng gió ñưc tính b i FEM và
IEEE.
Tươ ng t nh ư trong M c 3.2.1., ñây kh
năng mang dòng c a dây d n c ũng t ăng theo
hưng gió, ñc bi t v i tr ưng h p h ưng gió Hình 7 . Kh năng mang dòng c a dây d n trên không
vuông góc v i tr c dây d n thì kh năng mang thay ñi theo nhi t ñ môi tr ưng và t c ñ gió ñưc
dòng s ñt giá tr ln nh t. ðiu này c ũng có tính b i FEM và IEEE.
th ñưc gi i thích nh ư sau: khi h ưng gió xiên 3.2.4. nh h ưng c a h s bc x
theo tr c dây d n thì dòng nhi t to ra trên các
ñon c a dây d n (theo mô hình 3D) theo h ưng Ngoài các y u t môi tr ưng nh h ưng ñn
gió s ch ng l n lên nhau, nó là nguyên nhân kh năng mang dòng c a dây d n trên không ñã
làm gi m kh năng t n nhi t c a dây d n, khi ñưc kh o sát trong các M c trên. Trong ph n
hưng gió vuông góc v i tr c dây d n thì dòng này, chúng tôi s kh o sát nh h ưng c a h s
nhi t s to ra tr c ti p t các ñon dây d n ra bc x ñn kh năng mang dòng c a dây d n
mi n không khí phía sau nó và không có s nh trên không. K t qu tính toán b ng FEM ñưc
hưng nhi t gi a các ñon dây này. Vì th kh trình bày trong Hình 8.
năng mang dòng trong tr ưng h p này là l n
nh t.
3.2.3. nh h ưng c a nhi t ñ môi tr ưng
Trong M c này, chúng tôi s nghiên c u s
thay ñi c a kh năng mang dòng c a dây d n
trên không trong ba tr ưng h p nhi t ñ môi
tr ưng là 20 oC, 40 oC, và 60 oC vi tc ñ gió
thay ñi t 0,5 ñn 10 m/s. Kt qu tính toán
bng FEM và IEEE ñưc trình bày trên Hình 7.
và các B ng 6.-7.
Kt qu tính toán nh ư trên Hình 7. cho th y Hình 8. ð th dòng t i khi h s bc x thay ñi
khi nhi t ñ môi tr ưng t ăng thì kh năng mang
Bng 8. H s ñi l ưu hc, ngu n nhi t Pj và
dòng c a dây d n s gi m. ðiu này có th hi u
ngu n nhi t Ps khi thay ñi h s bc x
Trang 26
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014
H s bc nh ư trong B ng 8 t ươ ng ng v i t c ñ gió là
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
x ε 0,5 m/s, nhi t ñ môi tr ưng là 40 oC. Kt qu
H s tính toán nhi t và dòng cho phép c a dây d n
ñi l ưu 14 14 14 14 14 14 bi FEM ñưc trình bày trong B ng 9. Ngoài ra,
(W/m2.K) vi các s li u cho tr ưc nh ư trong Bng 8, kt
Ngu n qu tính toán dòng ñin c c ñi theo IEEE St ñ.
nhi t Pj 45,5 46 46,5 47 47,5 48
(W/m) 738- [1] là Icpmax = 750A.
Ngu n 4. KT LU N
nhi t Ps 9,7 12,1 14,6 17 19,4 21,9
(W/m) Bài báo trình bày kh năng ng d ng c a
Bng 9. Nhi t ñ dây d n và dòng ñin c c ñi ph ươ ng pháp ph n t hu h n trong vi c mô
ñưc tính b ng FEM khi thay ñi h s bc x ph ng tr ưng nhi t và tính toán kh năng mang
dòng c a ñưng dây truy n t i trên không. Ưu
H s bc x
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 ñim c a vi c s dng ph ươ ng pháp ph n t
ε
hu h n là nó cho phép chúng ta quan sát và
Nhi t ñ dây
dn - FEM 78,765 78,797 78,886 78,9 78,93 79 giám sát tr c quan ñưc phân b tr ưng nhi t
(oC) xung quanh dây d n, và nó c ũng cho k t qu
Dòng t i cho tính toán chính xác c a kh năng mang dòng c a
phép - FEM 724 728 732 736 740 744
(A) ñưng dây. Bài báo c ũng trình bày ñưc các k t
qu nghiên c u c a nh h ưng ñiu ki n môi
ε α
Theo [1] thì và s có giá tr t kho ng 0,2 tr ưng ñn tr ưng nhi t và kh năng mang dòng
ñn 0,9. Giá tr này thay ñi theo b mt nh n ca ñưng dây truy n t i trên không. ðây là v n
ă
c a dây. Nguyên nhân c a s gia t ng này là do ñ mà ngành ñin h t s c quan tâm trong v n
mc ñ ô nhi m c a không khí và ñin áp v n hành m ng truy n t i và phân ph i ñin.
hành ñt lên dây d n. C ũng theo [12], ε th ưng
GHI NH N: Nghiên c u này ñưc tài tr bi
nh hơn h s hp th αs. ñây, chúng tôi ch n
tr ưng ði h c Bách khoa Tp.HCM trong khuôn kh
αs = ε + 0,2 theo [13], s li u tính toán ñưc cho
ð tài mã s T-Tðð -2014-15.
Trang 27
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014
Calculation of thermal field and ampacity
of overhead power transmission lines
using finite element method
• Vo Van Hoang Long
Lilama 2 College, DongNai
• Vu Phan Tu
VNU-HCM
ABSTRACT:
The population explosion and lines will bring higher efficiency to power
development of the national economy are companies. Generally, the current carrying
two main causes of increasing the power capacity of power lines is computed based
demand. Besides, the Distributed on the calculation of their thermal fields
Generations (DG) connected with the power illustrated in IEEE [1], IEC [2] and CIGRE
transmission and distribution networks [3]. In this paper, we present the new
increase the transmission power on the approach that is the application of the finite
existing lines as well. In general, for solving element method based on Comsol
this problem, power utilities have to install Multiphysics software for modeling thermal
some new power transmission and fields of overhead power transmission lines.
distribution lines. However, in some cases, In particular, we investigate the influence of
the install of new power lines can strongly environmental conditions, such as wind
effect to the environment and even the velocity, wind direction, temperature and
economic efficiency is low. Nowadays, the radiation coefficient on the typical line of
problem considered by scientists, ACSR. The comparisons between our
researchers and engineers is how to use numerical solutions and those obtained
efficiently the existing power transmission from IEEE have been shown the high
and distribution lines through calculating accuracy and applicability of finite element
and monitoring their current carrying method to compute thermal fields of
capacity at higher operation temperature, overhead power transmission lines.
and thus the optimal use of these existing
TÀI LI U THAM KH O
[1]. IEEE Standard for Calculating the [2]. Overhead electrical conductors -
Current-Temperature Relationship of Bare Calcualtion methods for stranded bare
Overhead Conductors, IEEE Std. 738 – conductors”, IEC TR 61597 – 1995.
2006.
Trang 28
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014
[3]. Thermal Behaviour of Overhead Overhead Lines and Underground Cables
Conductors, CIGRE Working Group 22.12, in Distribution Networks” , Doctoral thesis,
Aug. 2002. Durham University, UK, 2011.
[4]. Strbac, G. 2007. “Electric Power Syst ems ( )
Research on Dispersed Generation ”, [10]. Wei Xiong “ Applications of Comsol
Electric Power Systems Research , Multiphysics Software to Heat Transfer
77:1143-1147. Processes” Arcada University of Applied
[5]. G. Gela, J. J. Dai, “Calculation of Thermal Sciences, Department of Industrial
Fields of Underground Cables Using the Management, May, 2010.
Boundary Element Method,” IEEE [11]. L. Staszewski, W. Rebizant, “The
Transactions on Power Delivery , Vol. 3, Differences between IEEE and CIGRE
No. 4, pp. 1341-1347, October 1988. Heat Balance Concepts for Line Ampacity
[6]. M. A. Hanna, M. M. A. Salama, “Thermal Considerations,” Modern Electric Power
Analysis of Power Cables in Multi-layered Systems 2010, MEPS'10 , P26, Wroclaw,
Soil,” IEEE Transactions on Power Poland.
Delivery , Vol. 8, No. 3, pp. 761-771, July [12]. Anjan K. Deb, Power Line Ampacity
1993. System, Theory, Modeling, and
[7]. Vũ Phan Tú, Nguy n Ng c Khoa, Nguy n Applications, CRC Press, 2000.
Nh t Nam, “Calculation of Temperature [13]. W.Z.Black and R.L.Rehberg. “Simplified
and Ampacity of Underground Cables Model For Steady Stateand Real-Time
Using the Adaptive Finite Element Ampacity Of Overhead Conductors”.
Methods”, Tp chí khoa h c công ngh IEEE Transactions on Power Apparatus
các tr ưng ñi h c k thu t, ISSN 0868 - and Systems, Vol. PAS-104,No. 10,
3980, Vol. 19, No.73B, pp. 39-45, 2009. October 1985.
[8]. Vũ Phan Tú, Võ V ăn Hoàng Long, [14]. Tr n Thi n T ưng, Tính toán kh năng
“Application of the hp-finite element mang dòng c a ñưng dây trên không
method to modeling thermal fields of high bng ph ươ ng pháp ph n t hu h n,
voltage underground cables in multi-layer LVThS, ði h c SPKT Tp.HCM, GVHD:
soil”, Tp chí phát tri n KH&CN, ðHQG- TS. V ũ Phan Tú, 2013.
HCM, Vol. 16, No. K3, pp. 72-83, 2013. [15]. Vũ Phan Tú, Ph ươ ng Pháp S Trong
[9]. Makhkamova, Irina, “Numerical Tr ưng ðin T , NXB ði h c Qu c gia
Investigations of the Thermal State of TPHCM, 2013.
Trang 29
Các file đính kèm theo tài liệu này:
tinh_toan_truong_nhiet_va_ampacity_cua_duong_day_truyen_tai.pdf