Tính toán trường nhiệt và Ampacity của đường dây truyền tải điện trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn
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.
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 ư ng nhi t và Ampacity c a
ñư ng dây truy n t i ñi n trên không b ng
ph ươ ng pháp ph n t h u h n
• Võ V ăn Hoàng Long
Tr ư ng Cao ñ ng LILAMA 2, ð ng 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 ñư ng
dân là hai nguyên nhân chính d n ñ n vi c dây là d a trên c ơ s tính toán tr ư ng
gia t ăng nhu c u s d ng ñi n n ăng. Bên nhi t c a nó ñư c th hi n ñ y ñ trong
c nh 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 ñư ng dây ñi n. Thông th ư ng, 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 ñi n s xây l p d ng ph ươ ng pháp ph n t h u h n
các tuy n ñư ng dây truy n t i và phân ph i trên n n c a ph n m m Comsol
m i ñ nâng cao kh năng truy n t i ñi n, Multiphysics cho vi c mô ph ng tr ư ng
cung c p ñ y ñ nhu c u ph t i ñi n. Tuy nhi t c a ñư ng dây truy n t i ñi n trên
nhiên, trong m t s tr ư ng h p, vi c xây m i không. ð c bi t, chúng tôi kh o sát nh
này s nh h ư ng ñ n môi tr ư ng và th m hư ng c a ñi u ki n môi tr ư ng nh ư v n
chí hi u qu kinh t không cao. V n ñ ngày t c gió, h ư ng gió, nhi t ñ và h s
nay ñư c xem xét là làm sao s d ng hi u b c x môi tr ư ng ñ n ñư ng ñi n hình
qu ñư ng dây truy n t i và phân ph i ñi n là dây nhôm lõi thép. Vi c so sánh gi a
hi n h u thông qua vi c tính toán và giám k t qu s c a 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 d ng t i ưu xác và kh năng áp d ng c a ph ươ ng
ñư ng dây s mang l i hi u qu kinh t cao pháp ph n t h u h n cho vi c tính toán
cho các công ty ñi n. T ng quát, vi c tính tr ư ng nhi t c a ñư ng dây trên không.
Keywords: ñư ng dây truy n t i cao th , tr ư ng nhi t, kh năng mang dòng.
1. GI I THI U –DG) trên c ơ s c a công ngh năng l ư ng tái
t o nh ư gió, sinh kh i, n ăng l ư ng m t tr i,
Chi n l ư c toàn c u v vi c gi m khí th i
sóng bi n,Các ngu n DG này ñư c k t n i
CO ñã tác ñ ng m nh m ñ n vi c phát tri n
2 vào m ng phân ph i ñi n, d n ñ n m t s gia
các ngu n ñi n phân tán (Distributed Generation
tăng ñáng k công su t truy n trên ñư ng 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 ñi n trong t ươ ng lai ñòi h i ph i có nh ng Trong th c t , do chi u dài dây d n th ư ng là
thay ñ i l n ñ i v i tri t lý thi t k t ng th . l n h ơn r t nhi u so v i bán kính c a nó, nên ñ
C u trúc c a m ng truy n t i và phân ph i ñi n ñơ n gi n trong vi c tính toán ng ư i ta chuy n
ph i ñư c thi t k ñ c bi t phù h p cho vi c vi c kh o sát tr ư ng nhi t trong mi n 3D v
truy n t i m t l ư ng l n công su t và ñ m b o mi n hai chi u (2D). Cho ñ n ngày nay, vi c
ñ tin c y c a h th ng ñi n. Tác ñ ng c a s gi i ph ươ ng trình truy n nhi t này ch y u ñư c
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 ñ i ñáng k trong s phát pháp gi i tích và ph ương pháp s .
tri n c a h th ng ñi n ñ tích h p ñ y 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
h u h n (FDM), ph ươ ng pháp ph n t h u h n
d ch v h tr h th ng (ví d nh ư ph t i, t n
(FEM), ph ươ ng pháp ph n t biên (BEM),
s và ñi n áp quy ñ nh). 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 t i do vi c gia t ăng dân s và s
pháp không l ư i (Meshfree method) –[14] v i
phát tri n c a n n kinh t qu c gia ñã bu c
ưu ñi m c a nó là t o nên l i gi i s có ñ chính
ngành ñi n ph i có nh ng bi n pháp làm tăng
xác cao cho các bài toán k thu t, ñ c bi t là
kh năng truy n t i c a c h th ng ñi n 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 ư ng ñư c th c
th tìm ñư c l i gi i gi i tích, ñã và ñang ñư c
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 ñi n.
trong cáp ng m [5]-[8], ñư ng dây trên không
Ngày nay trên th gi i, quan ñi m xây m i [9]-[10].
các tuy n ñư ng dây ñang ñư c thay th b i
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 c a chúng tôi v tính toán tr ư ng
(Ampacity) c a các ñư ng dây hi n h u, và trên
nhi t c a cáp ng m [7]-[8], chúng tôi trình vi c
cơ s ñó v n hành chúng t i các nhi t ñ cao
áp d ng ph ươ ng pháp ph n t h u h n cho tính
hơn tiêu chu n. Ti p c n này s cho phép h
toán tr ư ng nhi t và ampacity c a ñư ng dây
th ng ñi n v n hành g n v i gi i h n truy n t i
truy n t i ñi n trên không dây nhôm lõi thép.
công su t c a nó nh ưng v n b o ñ m tính n
ð c bi t, chúng tôi kh o sát nh h ư ng c a y u
ñ nh c a h th ng, và nh ư th h th ng ñi n s
t môi tr ư ng nh ư t c ñ gió, h ư ng gió, nhi t
ñáp ng ñ y ñ nhu c u ph t i và ñ c bi t là
ñ môi tr ư ng ñ n kh năng mang dòng c a
gi m ñáng k chi phí v n hành. Vì v y, m t s
ñư ng dây. Ph n cu i là s so sánh các k t qu
hi u bi t v phân b tr ư ng nhi t bên trong,
tính toán c a chúng tôi ñư c so sánh v i các k t
xung quanh dây d n và y u t môi tr ư ng mà t i
qu ñư c tính b ng công th c trong tiêu chu n
ñó các bi n ñ i nhi t này s cho phép qu n lý
IEEE –[1].
hi u qu m ng truy n t i và phân ph i ñi n là
b t bu c ñ i v i cá nhà nghiên c u, tính toán 2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
thi t k ñư ng dây. 2.1. Ph ươ ng trình truy n nhi t c a ñư ng
T ng quát, kh năng mang dòng c a ñư ng dây trên không.
dây trên không c ũng nh ư cáp ng m là ñư c tính T ng quát, ñ xác ñ nh ph ươ ng trình truy n
toán d a trên s phân b nhi t xung quang dây
nhi t c a ñư ng dây truy n t i ñi n trên không,
d n. S phân b nhi t này ñư c bi u di n, trong
chúng ta ph i kh o sát nó trong không gian 3D
toán h c, d ư i 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 ñ nh, ngh ĩa là không có
s bi n thiên nhi t theo th i gian, (1) ñư c vi t
l i 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 ư ng nhi t c a dây d n
trong tr ng thái n ñ nh. 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 ñư c
ch p nh n
Trong ñó:
- ð d n nhi t c a môi tr ư ng không khí là
o
• kx (W/ C/m) – ñ d n nhi t c a môi h ng s (môi tr ư ng ñ ng nh t).
tr ư ng theo h ư ng x.
- Ngu n nhi t ñư c phân b ñ u trên b m t
• 1 (oCm/W) – nhi t tr su t c a
ρ x = dây d n.
môi tr ư ng theok x h ư ng x.
2.2. Kh năng mang dòng c a ñư ng dây
dT o
• ( C/m) – gradient nhi t ñ theo trên không
hư ng xdx.
Kh năng mang dòng c a ñư ng dây trên
• (W/m 3) – nhi t l ư ng to ra trong m t
P không là dòng n ñ nh cho phép l n nh t mà
ñơ n v th tích.
ñư ng dây có th ch u ñư c trong su t th i gian
dT
• P= − k (W/m 2)– thông l ư ng dài. Nó ph thu c vào v t li u dây d n và các
x x dx
ngu n nhi t theo h ư ng x, theo lu t Fourier. y u t môi tr ư ng nh ư nhi t ñ , t c ñ gió,
• (J/kg/ oC) – nhi t dung riêng c a v t hư ng gió, nhi t b c x ngh ĩa là nó ph thu c
C p
li u môi tr ư ng. vào v t li u và phân b tr ư ng 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 ñư c trình bày
3 trong IEEE và CIGRE ñ u d a trên c ơ s c a
• γ (kg/m ) – m t ñ kh i c a v t li u môi
tr ư ng. nguyên lý cân b ng nhi t trong tr ng thái xác
l p, 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 ñư c trình
th c t , chi u dài c a dây d n (theo tr c z)
bày b i bi u th c sau –[3]
th ư ng l n h ơn r t nhi u so v i ñư ng 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 ñư ng Trong ñó,
dây truy n t i ñi n trên không có th ñư c bi u
di n trong 2D nh ư sau
Trang 18
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014
Lư ng h p th ánh sáng m t tr i c a dây
• Pj là ñ tăng nhi t b i hi u ng Joule,
d n ph thu c vào cư ng ñ ánh n ng m t tr i,
Ps là ñ tăng nhi t do b c x m t tr i, PM là ñ
góc ph ươ ng v c a m t tr i, v trí t ươ ng ñ i gi a
tăng nhi t do c ng h ư ng t , Pi là ñ tăng nhi t
m t tr i và dây d n, ñư ng kính dây d n, h s
b i hi u ng v ng quang (ion hoá).
h p th c a b m t dây d n, chi u cao c a dây
d n so v i m c n ư c bi n –[1].
• Pr là t n th t nhi t do b c x , Pc là t n
th t nhi t do ñ i l ưu, PW là t n th t nhi t do bay ð tăng nhi t dây d n do b c x m t tr i
hơi. ñư c xác ñ nh b ng bi u th c sau
và theo IEEE, (3) ñư c 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 ư ng t , ñ tăng nhi t
αs là h s h p th c a b m t dây d n ph
b i hi u ng v ng quang và t n th t nhi t do
thu c vào v t li u và tu i th c a dây d n, D là
bay h ơi.
ñư ng 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
nư c bi n, QS là thông l ư ng c a m t tr i [W/
T ng quát, nhi t ñ ñư ng dây Pj ph thu c
m2], θ là góc t i hi u qu c a các tia m t tr i [o,
vào ñi n tr và dòng ñi n ch y trong dây d n
rad] H là góc chi u cao m t tr i [ o], Z là góc
ñư c tính toán b i ph ươ ng trình sau c c
o
ph ươ ng v c a m t tr i [ ], 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 ñi n ch y trong dây d n Nhi t t ánh n ng m t tr i thay ñ i theo các
ñi u ki n th i ti t, ñ s ch và m c a không khí,
[A], RAC là ñi n tr xoay chi u c a dây d n t i
nhi t ñ kh o sát [ /m] và ñư c tính b i vĩ ñ ñ a lý và theo mùa. V m t ñ a lý, nhi t do
m t tr i chi u lên dây d n ph thu c ch y u
RR=1 +α ( TT − ) (6) vào ñ cao và góc ph ươ ng v c a m t tr i v i
AC ACT, 0 C o
góc ph ươ ng v c a dây d n. Trong bài báo này,
R là ñi n tr AC c a dây d n nhi t ñ
AC,To chúng tôi s s d ng các s li u tính toán theo
T [ 20 oC; 293 oK], T là nhi t ñ trên b m t dây
o c tiêu chu n IEEE -[1] ñ xác ñ nh t ng thông
d n [oC, K], α là h s nhi t c a ñi n tr [K -1]
lư ng nhi t c a m t tr i tác d ng lên b m t dây
ph thu c vào v t li u dây d n, thông th ư ng
d n.
dây nhôm (Al) ho c nhôm lõi thép (ACSR)
ñư c s d ng ñ làm ñư ng dây truy n t i ñi n 2.2.3. T n th t nhi t b c x
trên không, do ñó có th xác ñ nh giá tr c a α = T n th t nhi t do b c x Pr là m t ph n
-1
(0,0036 ÷ 0,00403)K . trong t n th t nhi t t ng c a dây d n, nó ph
2.2.2. Nhi t do b c x m t tr i thu c vào nhi t ñ trên b m t dây d n, nhi t ñ
môi tr ư ng xung quanh dây d n, ñư ng kính
Trang 19
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014
dây d n và h s phát x c a b m t dây d n V i c là nhi t riêng c a không khí [J/kgK],
theo bi u th c sau là ñ nh t ñ ng 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 ñ i trong ph m vi ñây, nhi t ñ trung bình c a dây d n là
T=0.5 T + T
t 0.27 ñ n 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 ñ i l ưu t nhiên
nhi t ñ c a môi tr ư ng xung quanh dây d n.
Quá trình làm mát do ñ i l ưu t nhiên x y ra
2.2.4. T n th t nhi t ñ i l ưu
khi t c ñ gió ñư c xem nh ư b ng không và nh ư
T n th t nhi t ñ i l ưu ñư c xác ñ nh nh ư sau th nó ñư c xác ñ nh 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 t n th t nhi t do ñ i l ưu Trong ñó: Ra f = (Gr.Pr) f là s Rayleigh.
[W/m], D là ñư ng kính dây d n, λf là nhi t d n
-1 -1 Các thông s trong (11) ñư c 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 ư ng c a các dây d n
truy n nhi t ñ i l ưu [W/m 2.K] và th ư ng ñư c
trên không là n m trong kho ng t 0oC ñ n
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) c a s Nusselt cho ñ i l ưu t nhiên cho
Nu= f( R, GrPr , ) (10) f
e b i 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 ñ i l ưu t
Bên c nh s Nu ñư c tính b i (10), m t vài
nhiên còn ñư c xác ñ nh theo bi u th c sau– [1]
h s cũng ñư c s d ng ñ tính toán t n th t
nhi t ñ i l ưu ñư c trình bày trong [1], [3] nh ư P=0,0205ρ 0,5 DTT 0,75 ( − ) 1,25 (13)
cn f Ca
sau
V i ρf: là m t ñ c a không khí nhi t ñ Tf.
ρ rV w D
Re = - s Reynolds. 2.2.4.2. Làm mát do ñ i l ưu c ư ng b c
ν
ð i v i tr ư ng h p gió tác ñ ng theo
ñây Vw là t c ñ gió [m/s], ν là ñ nh t
2 ph ươ ng ngang v i tr c dây d n, ngh ĩa là theo
ñ ng h c [m/s ], ρr là m t ñ không khí t ươ ng
m t hư ng b t k ỳ t 0 ñ n 90 o, chúng ta có bi u
ñ i (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 M t ñi u khác bi t khi tính toán ampacity
Dρ V
f w
Pc 2 =0, 0119 kkTTfa() C − a c a ñư ng dây trên không và cáp ng m là ñ i
µ f
v i cáp ng m do kho ng cách gi a các dây bé
(15) nên chúng ta ph i kh o sát tr ư ng nhi t sinh ra
b i 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 hư ng t ươ ng h nhi t gi a các dây v i nhau,
ñ
nh theo bi u th c sau còn v i ñư ng 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 ñi n áp, nh
k = (16)
a +0,368sin(2θ ) hư ng nhi t gi a các dây d n r t bé và có th b
qua, do ñó chúng ta ch kh o sát cho m t dây
V i θ là góc c a h ư ng gió so v ơi tr c dây
d n thay vì kh o sát c h th ng ñư ng dây trên
o
d n [ , 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 ñư c gi thi t là ñ t trong m t mi n không khí
ñư c xác ñ nh theo công th c sau - [3] hình vuông có kích th ư c ñ l n 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 ư c
Tóm l i, trong tr ư ng h p t ng quát h s 1mx1m nh ư trên Hình 2. - [9].
ñ i l ưu ñư c tính theo bi u th c (10). Trong
tính toán th c t , tùy vào t ng tr ư ng h p c th
mà chúng ta s s d ng công th c tính t n th t
nhi t ñ i l ưu m t cách thích h p. Ví d nh ư
trong tr ư ng h p t c ñ gió b ng không thì t n
th t nhi t ñ i l ưu là t nhiên; tr ư ng h p t c ñ
gió khác không, n u gió theo ph ươ ng ngang v i
dây d n thì t n th t nhi t ñ i l ưu ñư c ch n là
giá tr l n nh t c a (14) và (15), n u gió có
hư ng song song v i tr c dây d n thì t n th t
nhi t ñ i l ưu ñư c tính theo bi u th c (17). Hình 2. Mô hình mi n không khí kh o sát xung
quanh dây d n trên không.
T ph ươ ng trình (4) chúng ta xác ñ nh kh
Trong bài báo này, chúng tôi kh o sát ñư ng
năng mang dòng c a 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; ðư ng kính t ng c a
r+ c − s (18)
I = o
RAC nó là 28,1mm; ði n tr AC nhi t ñ 25 C
b ng 72,83 /m; ði n tr AC nhi t ñ 75 oC
3. K T QU TÍNH TOÁN
là 86,88 /m; Nhi t ñ cho phép t i ña c a
o
3.1. Tính toán tr ư ng nhi t c a dây d n trên dây d n là Tcmax = 100 C.
không
Ngoài ra, các ñi u ki n môi tr ư ng và dòng
t i ñư c ch n nh ư sau: C ư ng ñ chi u sáng c a
Trang 21
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014
m t tr i là S = 900W/m 2; h s h p th c a b K t qu mô ph ng nh ư trên Hình 3. cho
m t b ng αs = 0,5; h s b c x c a b m t là ε chúng ta th y nhi t ñ nóng nh t trên b m t
o
= 0,5; t c 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 c a môi tr ư ng b ng Ta = 40 C; ñư ng dây nhi t ñ cho phép danh ñ nh ñư c tính theo IEC
theo h ư ng ñông tây v i góc ph ươ ng v là Z1 = 61597 là 1,5% , và 0,64% so v i IEEE (IEEE -
o o
90 ; vĩ ñ là 30 ñ b c; môi tr ư ng khí quy n 738 là TCp = 100 C). K t qu này cho th y tính
s ch; ñ cao m t tr i ( Hc) vào 11 gi ngày 10 chính xác c a ph ươ ng pháp ph n t h u 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 ñi m c a
h s d n nhi t c a không khí là k = ph ươ ng pháp ph n t h u h n là chúng ta d
0,0291W/(K.m); m t ñ không khí ρ = 1,029 dàng quan sát phân b tr ư ng nhi t xung quanh
3
kg/m ; công su t t a nhi t c a không khí Cρ = dây d n, ñ c bi t hi u qu cao khi chúng ta kh o
1,005 kJ/(kg.k); h s ñ i l ưu h = 15,5 sát s thay ñ i c a y u t môi tr ư ng ñ n tr ư ng
2
(W/m .K); ñ tăng nhi t ñ b i Joule Pj = 94 nhi t xung quanh dây d n. ðây là ñi u mà
W/m; ñ tăng nhi t do b c x m t tr i Ps =14,36 ph ươ ng pháp gi i tích và tiêu chu n không th
W/m. hi n ñư c.
K t qu mô ph ng tr ư ng nhi t xung quanh
dây d n trên không b ng ph ươ ng pháp ph n t
h u h n ñư c cho nh ư trên Hình 3. ñó, chúng
ta có th nh n th y r ng do gió th i theo ph ươ ng
ngang so v i tr c c a dây d n nên các ñư ng
ñ ng nhi t b bi n d ng phía sau dây d n, và
nh ư v y ñi m có giá tr nhi t ñ cao nh t (nóng
nh t) c a dây d n s n m phía bên kia c a dây
d n so v i h ư ng tác ñ ng c a gió t i dây d n.
Hình 4. ð th nhi t ñ khi c t ngang b m t dây
Drake theo phươ ng x
Hình 4 là k t qu mô ph ng giá tr tr ư ng
nhi t xung quanh dây d n t i m t c t ngang b
m t dây d n, theo các ñ cao t ươ ng ng là v trí
ngay b m t dây d n và m t v trí b t k ỳ. K t
qu tính toán cho th y ñư ng 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
b ng 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 ñi m xa dây d n,
và nó s gi m d n khi ti n t i g n b m t dây
Trang 22
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014
d n, t i ñó nhi t ñ s là l n nh t trong mi n ñây, nhi t ñ cho phép t i ña trên b m t
o
tính toán, t ươ ng ng v i Hình 3. dây d n ñư c cho là TCpmax = 80 C.
T ng quát, sau khi tính toán ñư c tr ư ng
3.2. Kh năng mang dòng c a dây d n trên
nhi t xung quanh dây d n, chúng ta s tính ñư c
không có xét tác ñ ng c a ñi u ki n môi ampacity c a ñư ng dây trên không b ng vi c
tr ư ng s d ng (18). Trong m c này, chúng tôi s s
d ng FEM tính tr ư ng nhi t và ampacity c a
ph n trên, chúng ta ñã tính toán nhi t ñ ñư ng dây trên không. K t qu s c a chúng tôi
c a dây d n b ng ph ươ ng pháp ph n t h u h n s ñư c so sánh v i k t qu ñư c tính theo
v i các ñi u ki n gi ñ nh theo IEEE – 738 - [1]. ph ươ ng pháp gi i tích nh ư trong tiêu chu n
K t ñ t ñư c cho th y ñ tin c y cao khi s IEEE –[1].
d ng ph ươ ng pháp ph n t h u h n. 3.2.1. nh h ư ng 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 c a ph ươ ng pháp ph n t h u h n, hư ng c a t c ñ gió ñ n kh năng mang dòng
trong m c này, chúng tôi s tính toán ampacity c a ñư ng dây trên không. K t qu tính toán
c a ñư ng dây trên không d ư i nh h ư ng c a b ng FEM và IEEE ñư c trình bày nh ư trên
các ñi u ki n môi tr ư ng nh ư là s thay ñ i c a Hình 5. V m t lý thuy t, chúng ta bi t r ng khi
t c ñ gió, h ư ng gió so v i tr c dây d n, nhi t t c ñ gió thay ñ i nó s nh h ư ng tr c ti p
ñ môi tr ư ng xung quanh dây d n, h s b c ñ n h s ñ i l ưu c a không khí, nh ư th nó s
x ði u ki n th i ti t, nhi t ñ môi tr ư ng và d n ñ n t n th t nhi t ñ i l ưu thay ñ i và là
thông s dây d n ñư c l a ch n cho tính toán nguyên nhân làm cho ampacity c a dây d n
trong tr ư ng h p này là dây A3 – 400 – [2], t t cũng thay ñ i theo. K t qu trình bày trên Hình
c ñư c trình bày trong B ng 1. 5. cho th y s thay ñ i ampacity c a dây d n
Các thông s v môi tr ư ng ñư c ch n nh ư theo t c ñ gió, nó ñư c th i theo ph ươ ng ngang,
o
sau: h s d n nhi t c a không khí k = 0,0283 hư ng 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 ñ i l ưu h = 14 (W/m 2.K); ñ trong B ng 2 v 3.
tăng nhi t ñ b i Joule Pj =49 W/m; ñ tăng
nhi t do b c x m t tr i Ps =15,12 W/m.
B ng 1 . S li u v ñi u ki n th i ti t, nhi t
ñ môi tr ư ng và thông s dây d n.
Hình 5. Kh năng mang dòng c a dây d n trên
không thay ñ i theo t c ñ gió ñư c tính b i FEM và
IEEE.
Trang 23
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014
3.2.2. nh h ư ng c a h ư ng gió năng mang dòng c a dây d n, trong ph n này,
chúng tôi s kh o sát h ư ng gió thay ñ i trong
Nh ư k t qu trình bày trong M c 3.1., h ư ng
kho ng 40 o ñ n 90 o so v i tr c dây d n. K t qu
gió s làm méo d ng phân b tr ư ng nhi t c a
tính toán b ng FEM và IEEE ñư c trình bày nh ư
dây d n, và là nguyên nhân làm thay ñ i 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 ñ ng c a h ư ng gió ñ n kh
B ng 2. H s ñ i l ưu và ngu n nhi t t i ña c a dây d n khi t c ñ gió thay ñ i
T c ñ gió
0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(m/s)
H s ñ i 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)
B ng 3. K t qu ñư c tính nhi t ñ và Ampacity b ng FEM khi t c ñ gió thay ñ i
T c 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
d n ( oC)
Dòng t i c c
ñ i (A) - 751 897 1071 1189 1281 1357 1423 1480 1533 1580 1624
FEM
B ng 4. H s ñ i l ưu và ngu n nhi t c c ñ i c a dây d n khi h ư ng gió thay ñ i
Hư ng gió ( ñ ) 40 50 60 70 80 90
H s ñ i 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
B ng 5. Kh năng mang dòng c a dây d n trên không thay ñ i theo h ư ng gió
ñư c tính b ng FEM và IEEE
Hư ng 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 ñ i - FEM (A) 817 844 861 873 884 990
Dòng t i c c ñ i - IEEE (A) 816 843 860 871 882 899
B ng 6. H s ñ i l ưu và ngu n nhi t Pj khi thay ñ i nhi t ñ môi tr ư ng
Trang 24
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014
T c ñ gió
0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(m/s)
H s ñ i 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
B ng 7. K t qu c a nhi t ñ dây d n và dòng t i tính toán b ng FEM và IEEE
T c 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
b ng 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
b ng 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
b ng 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 ư ng là 20 C, 30 C, 40 C.
o o o
Tdd1 , Tdd2 , và Tdd3 là nhi t ñ c a dây d n tính b ng FEM v i nhi t ñ môi tr ư ng là 20 C, 30 C, 40 C.
Trang 25
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014
r ng nhi t ñ môi tr ư ng t ăng s làm gi m kh
năng truy n nhi t t trong dây d n ra môi
tr ư ng 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 ñi n I ñư c tính theo(18).
Hình 6. Kh năng mang dòng c a dây d n trên
không thay ñ i theo h ư ng gió ñư c 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
hư ng gió, ñ c bi t v i tr ư ng h p h ư ng 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 ñ i theo nhi t ñ môi tr ư ng và t c ñ gió ñư c
dòng s ñ t giá tr l n nh t. ði u này c ũng có tính b i FEM và IEEE.
th ñư c gi i thích nh ư sau: khi h ư ng gió xiên 3.2.4. nh h ư ng c a h s b c x
theo tr c dây d n thì dòng nhi t to ra trên các
ño n c a dây d n (theo mô hình 3D) theo h ư ng Ngoài các y u t môi tr ư ng nh h ư ng ñ n
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 ñư c kh o sát trong các M c trên. Trong ph n
hư ng gió vuông góc v i tr c dây d n thì dòng này, chúng tôi s kh o sát nh h ư ng c a h s
nhi t s to ra tr c ti p t các ño n dây d n ra b c x ñ n 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 ñư c
hư ng nhi t gi a các ño n dây này. Vì th kh trình bày trong Hình 8.
năng mang dòng trong tr ư ng h p này là l n
nh t.
3.2.3. nh h ư ng c a nhi t ñ môi tr ư ng
Trong M c này, chúng tôi s nghiên c u s
thay ñ i c a kh năng mang dòng c a dây d n
trên không trong ba tr ư ng h p nhi t ñ môi
tr ư ng là 20 oC, 40 oC, và 60 oC v i t c ñ gió
thay ñ i t 0,5 ñ n 10 m/s. K t qu tính toán
b ng FEM và IEEE ñư c trình bày trên Hình 7.
và các B ng 6.-7.
K t qu tính toán nh ư trên Hình 7. cho th y Hình 8. ð th dòng t i khi h s b c x thay ñ i
khi nhi t ñ môi tr ư ng t ăng thì kh năng mang
B ng 8. H s ñ i l ưu hc, ngu n nhi t Pj và
dòng c a dây d n s gi m. ði u này có th hi u
ngu n nhi t Ps khi thay ñ i h s b c x
Trang 26
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014
H s b c 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 ư ng là 40 oC. K t qu
H s tính toán nhi t và dòng cho phép c a dây d n
ñ i l ưu 14 14 14 14 14 14 b i FEM ñư c trình bày trong B ng 9. Ngoài ra,
(W/m2.K) v i các s li u cho tr ư c nh ư trong B ng 8, k t
Ngu n qu tính toán dòng ñi n c c ñ i 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. K T 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
B ng 9. Nhi t ñ dây d n và dòng ñi n c c ñ i ph ươ ng pháp ph n t h u h n trong vi c mô
ñư c tính b ng FEM khi thay ñ i h s b c x ph ng tr ư ng nhi t và tính toán kh năng mang
dòng c a ñư ng dây truy n t i trên không. Ưu
H s b c x
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 ñi m c a vi c s d ng ph ươ ng pháp ph n t
ε
h u h n là nó cho phép chúng ta quan sát và
Nhi t ñ dây
d n - FEM 78,765 78,797 78,886 78,9 78,93 79 giám sát tr c quan ñư c phân b tr ư ng 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) ñư ng dây. Bài báo c ũng trình bày ñư c các k t
qu nghiên c u c a nh h ư ng ñi u ki n môi
ε α
Theo [1] thì và s có giá tr t kho ng 0,2 tr ư ng ñ n tr ư ng nhi t và kh năng mang dòng
ñ n 0,9. Giá tr này thay ñ i theo b m t nh n c a ñư ng 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 ñi n h t s c quan tâm trong v n
m c ñ ô nhi m c a không khí và ñi n áp v n hành m ng truy n t i và phân ph i ñi n.
hành ñ t lên dây d n. C ũng theo [12], ε th ư ng
GHI NH N: Nghiên c u này ñư c tài tr b i
nh hơn h s h p th αs. ñây, chúng tôi ch n
tr ư ng ð i h c Bách khoa Tp.HCM trong khuôn kh
αs = ε + 0,2 theo [13], s li u tính toán ñư c 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”, T p chí khoa h c công ngh IEEE Transactions on Power Apparatus
các tr ư ng ñ i 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 ư ng, Tính toán kh năng
“Application of the hp-finite element mang dòng c a ñư ng dây trên không
method to modeling thermal fields of high b ng ph ươ ng pháp ph n t h u h n,
voltage underground cables in multi-layer LVThS, ð i h c SPKT Tp.HCM, GVHD:
soil”, T p 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 ư ng ði n T , NXB ð i 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
