(Luận văn thạc sĩ hcmute) xây dựng mô hình và mô phỏng cáp trong trạng thái quá độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯƠNG THỊ HỌA MY

XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG
CÁP TRONG TRẠNG THÁI QUÁ ĐỘ
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 3 9 3 9

Tp. Hồ Chí Minh, 2012

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯƠNG THỊ HỌA MY

XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG CÁP TRONG
TRẠNG THÁI QUÁ ĐỘ

NGÀNH: TB MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN -605250
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2012

Luan van


Luận Văn Thạc Sĩ

Lý lịch khoa học

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Trương Thị Họa My

Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh: 01/12/1984
Nơi sinh: Quảng Ngãi
Quê quán: Đức Thạnh, Mộ Đức, Quảng Ngãi
Dân tộc: Kinh
Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu:
Nhân viên Phịng Kỹ Thuật, Cơng ty Cáp TAIHAN-SACOM, Đồng Nai
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:
Công ty Cáp TAIHAN-SACOM, Đường số 8, Khu Công nghiệp Long Thành,
Đồng Nai
Điện thoại cơ quan: (+084) 016. 3514. 145
Fax: (+084) 016. 3514. 146
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 10/2003 đến 5/2006
Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Ngành học: Điện Khí Hóa và Cung Cấp Điện
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui
Thời gian đào tạo từ 09/2006 đến 08/2008
Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm kỹ Thuật, Tp.Hồ Chí Minh
Ngành học: Điện cơng nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Sử dụng phần mềm trong thiết kế tủ điện.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Đại học Sư Phạm kỹ
Thuật,
Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh
3. Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Tập trung chính qui
Thời gian đào tạo từ 05/2009 đến 5/ 2011
Nơi học: Đại học sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, Tp Hồ Chí Minh
Ngành học: Thiết bị mạng và nhà máy điện.
Tên luận văn:Xây dựng mơ hình và mô phỏng cáp trong trạng thái quá độ

HVTH:Trƣơng Thị Họa My

ii

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Lý lịch khoa học

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 12 năm 2012 tại Đại học sư phạm kỹ
thuật Tp Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn:PGS. TS Quyền Huy Ánh
4. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi
cấp:
Bằng Kỹ Sƣ Điện Công Nghiệp và Chứng chỉ Sƣ phạm bậc 2, cấp tại Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
8/200812/2012

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Công ty Cáp TAIHAN-SACOM

Kỹ sư phịng KT- cơng nghệ
Ngày 27 tháng 12 năm 2012
Ngƣời khai ký tên

Trương Thị Họa My

HVTH:Trƣơng Thị Họa My

iii

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 12 năm 2012
Người viết cam đoan

Trương Thị Họa My

HVTH:Trương Thị Họa My

iv

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian trên hai năm học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ
tại trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. Ở đây, tơi được sống
và học tập trong điều kiện thuận lợi nhất, trong những tấm lịng tận tụy giảng dạy
của q thầy cơ, vòng tay giúp đỡ và đùm bọc của bạn bè học chung lớp.
Thông qua luận văn này tôi xin chân thành cám ơn:
Thầy PGS.TS Quyền Huy Ánh, người thầy mẫu mực, tận tụy, định hướng,
chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức chun mơn và kinh nghiệm nghiên cứu trong
q trình tơi thực hiện luận văn này.
Q Thầy/Cơ phản biện, đã đưa ra những quan điểm, đánh giá bổ sung vào
lĩnh vực tôi đang nghiên cứu, giúp tôi hiểu rộng hơn về hướng nghiên cứu đề tài, và
tự đánh giá lại cơng việc đã thực hiện của mình.

Q Thầy/Cơ Trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
đã truyền đạt kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm, giúp tôi tự tin tìm hiểu kiến thức
chuyên ngành.
Ban Giám hiệu, lãnh đạo Khoa Điện-Điện tử trường Đại học sư phạm kỹ
thuật thành phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi hồn thành khố
học.
Xin chân thành cảm ơn những người thân yêu nhất trong Gia đình đã khích lệ
cũng như tạo mọi điều kiện để tơi hồn thành luận văn này.
Lời sau cùng, xin gởi lời cám ơn đến các đồng nghiệp, các anh chị học viên
cao học khóa 2009 – 2011 đã đóng góp nhiều ý kiến quí báu cũng như sự ủng hộ
mạnh mẽ về mặt tinh thần giúp tơi hồn thành tốt đề tài này.
Xin chân thành cám ơn!
Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 12 năm 2012
Học viên thực hiện

Trương Thị Họa My

HVTH:Trương Thị Họa My

v

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Tóm tắt

TĨM TẮT
Luận văn trình bày kỹ thuật xác định mơ hình và mơ phỏng cáp điện trong
trạng thái quá độ dựa trên phần mềm mô phỏng ATP và MATLAB. Chương trình
loại EMTP bao gồm nhiều chương trínhđược thiết kế riêng dùng để hổ trợ (cable
constants) cho việc tính tốn một sơ đồ hệ thống điện trong quan hệ của một chuỗi
gồm 1 ma trận trở kháng nối tiếp Z và 1 ma trận tổng dẫn song song Y, dựa trên dữ
liệu cáp được xác định bởi hình dạng và các đặc tính của vật liệu.
Một vài mơ hình đường dây đã được thực hiện trong các chương trình EMTP
phổ biến hiện nay vốn có thể mơ tả một cách chính xác sự phụ thuộc vào tần số của
hệ thống cáp. Tất cả các mơ hình này địi hỏi cùng một loại thơng số ngõ vào, cụ thể
là ma trận trở kháng nối tiếp Z và ma trận tổng dẫn song song Y. Nói chung, đối với
các hệ thống cáp, việc có được các thơng số ngõ vào đủ mức chính xác thì hơn là hệ
thống đường dây trên khơng do khoảng cách hình học nhỏ khiến cho các thông số
của cáp rất nhạy so với những sai lệch trong các hình dạng khác. Hơn nữa, vấn đề
này lại trở nên phức tạp hơn do sự thiếu chính xác trong các dữ liệu hình học do nhà
sản xuất cung cấp vì họ chỉ định nghĩa các số đo cơ bản chứ không nhất thiết là các
thiết là các số đo đo lường thực tế.
Phương trình cơ bản sử dụng để mô tả cho đường dây trên không và cáp cách
điện có dạng như sau:
Z ( )  R( )  jL( )

(1)

Y ( )  G ( )  jC ( )

(2)

Luận văn gồm các nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Mơ hình tốn học cho cáp ngầm

Chương 3: Các phương pháp phân tích quá độ
Chương 4: Giới thiệu phần mềm mô phỏng ATP-EMTP
Chương 5: Kết quả mô phỏng.
Chương 6: Kết luận.

HVTH:Trương Thị Họa My

vi

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Tóm tắt

ABSTRACT

The thesis presented establishes model and simulation method insulation
cable of system transient by using ATP-EMTP and MATLAB software. EMTPtype programs include dedicated support routines (cable constants) for calculating
an electric representation of cable systems in terms of a series impedance matrix Z
and a shunt admittance matrix Y, based on cable data defined by geometry and
material properties.
SVERAL line models have been implemented in commonly available
EMTP-type programs which can accurately represent the frequency dependence of
cable systems. All of these models require the same type of input parameters,
namely the series impedance matrix Z and the shunt admittance matrix Y.
Sufficiently accurate input parameters are, in general, more difficult to obtain for

cable systems than for overhead lines as the small geometrical distances make the
cable parameters highly sensitive to errors in the specified geometry. In addition, it
is not straightforward to represent certain features, such as wire screens, semi
conductive screens, armors, and loss insulation materials. The situation is made
further complicated by uncertainties in the geometrical data as provided by the
manufacturer as they define guaranteed measures, but not necessarily the actual
measures.
The content of the thesis is divided into six chapters:
Chapter 1: Introduction
Chapter 2: Establishes model for Insulation cable
Chapter 3: Analysis methods in system transient
Chapter 4: Introduction ATP-EMTP and MATLAB software.
Chapter 5: Simulation and experimental results.
Chapter 6: Conclusions.

HVTH:Trương Thị Họa My

vii

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

MỤC LỤC
NỘI DUNG

TRANG

TRANG TỰA
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ............................................................................... i
LÝ LỊCH KHOA HỌC .......................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. iv
LỜI CÁM ƠN ......................................................................................................... v
TÓM TẮT .............................................................................................................. vi
MỤC LỤC ............................................................................................................ viii
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... xii
DANH SÁCH CÁC HÌNH.................................................................................. xiii
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................. xv
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................. 1
1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................... 3
1.3 Đối tượng và mục đích đề tài ............................................................................ 3
1.4 Nhiệm vụ đề tài ................................................................................................. 3
1.5 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 3
CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC CHO CÁP NGẦM ................................ 4
2.1 Cấu tạo cơ bản cáp ngầm cao thế cách điện XLPE............................................ 4
2.1.1 Các kĩ thuật chôn cáp trực tiếp trong đất ....................................................... 7
2.1.2 Lợi ích của việc sử dụng cáp ngầm cho hệ thống truyền tải cao áp ............... 7
2.2 Mơ hình tốn học cho cáp ngầm cao thế ........................................................... 9
2.2.1 Cáp 1 lõi ........................................................................................................ 11
2.2.1.a Trở kháng .................................................................................................. 11
2.2.1.b Hệ số điện áp ............................................................................................. 15
2.2.2 Cáp đi trong ống ........................................................................................... 16
2.2.2.a Trở kháng ................................................................................................... 16
2.2.2.b Hệ số điện áp .............................................................................................. 19

HVTH:Trƣơng Thị Họa My

viii

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN QUÁ ĐỘ ................. 22
3.1 Lý thuyết về quá độ .......................................................................................... 22
3.2 Quá độ điện từ .................................................................................................. 23
3.2.1 Sóng quá độ dạng sóng xung ....................................................................... 23
3.2.2 Sóng quá độ dạng sóng dao động ................................................................ 19
3.3 Quá độ xảy ra trong thời gian ngắn ................................................................. 25
3.4 Một số hiện tượng quá độ trong hệ thống điện ............................................... 25
3.4.1 Quá độ khi đóng máy biến áp khơng tải ....................................................... 25
3.4.2 Q độ khi đóng trạm tụ bù........................................................................... 27
3.5 Các phương pháp giải quyết bài toán quá độ ................................................... 28
3.5.1 Phương pháp Bergeron.................................................................................. 28
3.5.1.1 Đặc tính cơ sở............................................................................................. 29
3.5.1.2 Nguyên tắc ................................................................................................. 31
3.5.2 Sơ đồ Domel.................................................................................................. 32
3.5.3 Quy tắc hình thang ........................................................................................ 32
3.6 Phương pháp giảm thiểu dao động số .............................................................. 32

3.6.1 Khởi tạo điều kiện ban đầu ........................................................................... 33
3.6.2 Biến đổi toán học .......................................................................................... 33
3.6.2.a Biến đổi Laplace trong trạng thái đóng ...................................................... 33
3.6.2.b Phương pháp biến đổi Taylor ..................................................................... 35
3.6.2.c Phép tính xấp xỉ số hữu tỉ ........................................................................... 35
3.6.2.d Phương pháp biến đổi hình thang phép tích phân ...................................... 36
3.7 Lý thuyết về ổn định ........................................................................................ 37
3.7.1 Ổn định tĩnh................................................................................................... 37
3.7.1.Ổn định động ................................................................................................. 38
3.7.1.Ổn định động ................................................................................................. 38
3.8. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quá độ của cáp ...................................... 39
3.8.1.Độ từ thẫm..................................................................................................... 39
3.8.1.Hằng số điện môi .......................................................................................... 41

HVTH:Trƣơng Thị Họa My

ix

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

CHƢƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM EMTP .................................... 42
4.1 Giới thiệu chương trình mơ phỏng ATP-EMTP ............................................. 42
4.2 Nguyên tắc, khả năng và các modul của ATP ................................................ 42

4.2.1 Nguyên tắc chung ......................................................................................... 42
4.2.2 Khả năng ứng dụng của chương trình ........................................................... 43
4.2.3 Những chương trình tương hỗ với ATP ........................................................ 44
4.2.4 Những mơđun mơ phỏng tổng hợp trong ATP ............................................. 45
4.2.5 Cách tạo một file dữ liệu để mô phỏng các mạch điện ................................. 47
4.3 Một số ứng dụng quan trọng của ATP ............................................................. 47
4.4 Giới thiệu về ATPDraw ................................................................................... 48
4.4.1 Sơ lược về ATPDraw .................................................................................... 48
4.4.2 Các tập tin chính và các file hổ trợ trong ATPDraw..................................... 48
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .............................................................. 50
5.1 Thiết lập mơ hình đường dây trong ATP ......................................................... 53
5.2 Khảo sát độ dày của lớp Lead sheath .............................................................. 54
5.2.1 Khảo sát độ dày của lớp Lead sheath khi d=1mm ........................................ 56
5.2.2 Khảo sát độ dày của lớp Lead sheath khi d=2mm ........................................ 56
5.2.3 Khảo sát độ dày của lớp Lead sheath khi d=3mm ........................................ 57
5.2.4 Khảo sát độ dày của lớp Lead sheath trên cùng một đồ thị .......................... 57
5.3 Khảo sát độ dày của lớp bán dẫn ..................................................................... 58
5.3.1 Khảo sát độ dày của lớp bán dẫn khi εr= 2.5................................................. 58
5.3.2 Khảo sát độ dày của lớp bán dẫn khi εr= 2.7................................................. 59
5.3.3 Khảo sát độ dày của lớp bán dẫn khi εr= 2.9................................................. 59
5.3.4 Khảo sát độ dày của lớp bán dẫn trên cùng một đồ thị ................................. 60
5.4 Khảo sát lớp giáp bảo vệ .................................................................................. 61
5.4.1 Khảo sát lớp giáp bảo vệ với µ=1 ................................................................. 61
5.5.2 Khảo sát lớp giáp bảo vệ với µ=10 ............................................................... 61
5.4.3 Khảo sát lớp giáp bảo vệ với µ=100 ............................................................. 62
5.4.4 Khảo sát độ dày của lớp giáp bảo vệ trên cùng một đồ thị ........................... 62

HVTH:Trƣơng Thị Họa My

x

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN .................................................................................. 65
6.1 Đánh giá kết quả đạt được ............................................................................... 65
6.2 Những vấn đề tồn tại của đề tài ....................................................................... 65
6.3 Phương hướng phát triển của đề tài ................................................................ 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 66
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 67

HVTH:Trƣơng Thị Họa My

xi

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Danh sách các chữ viết tắt

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
IEEE
SC

Institute of Electrical and Electronic Engineering
Single core

PT

Pipe type

ATP

Alternative Transients Programmer

EMTP

Electro- Magnetic Transients Program

TACS

Transient Analysis of Control System

HVTH:Trương Thị Họa My

xii

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Luận Văn Thạc Sĩ

Danh sách các hình

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1:

Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm cao thế, cách điện XLPE

6

Hình 12:

Hình vẽ mặt cắt của cáp XLPE

6

Hình 2.1:

Phương trình đường truyền sóng

9

Hình 2.2:

Phương trình đườwng truyền sóng dạng vi phân

10

Hình 3.1:

Hình vẽ minh họa dạng xung dịng

24

Hình 3.2:

Dạng sóng điện áp và dịng điện do đóng trạm tụ

24

Hình 3.3:

Đặc tính điện áp và dịng điện (phương pháp Beregon)

29

Hình 3.4:

Đồ thị quan hệ giữa điện áp và dòng điện (phương pháp Beregon) 30

Hình 3.5:

Phương trình quan hệ giữa điện áp và dịng điện (phương pháp

Beregon)

31

Hình 3.6:

Mạch điện R-L-C (biến đổi laplace)

33

Hình 3.7:

Đáp ứng hệ thống (biến đổi Taylor)

35

Hình 3.8:

Phương pháp biến đổi hình thang phép tích phân

36

Hình 4.1:

Các phần mềm tương hỗ với ATP-EMTP

44

Hình 4.2:

Các tiện ích trong ATP-EMTP

46

Hình 5.1:

Mơ hình đường dây cáp cao thế

52

Hình 5.2:

Mơ hình cáp cao thế trong phần mềm ATP

53

Hình 5.3:

Bảng thiết lập mơ hình mơ phỏng

53

Hình 5.4a:

Bảng thiết lâ ̣p thơng sớ và kết quả mơ phỏng của cáp khi độ dày
lead sheath=1mm

56

Hình 5.4b: Bảng thiết lập thông số và kết quả mô phỏng của cáp khi độ dày

lead sheath=2mm
Hình 5.4c:

56

Bảng thiết lập thông số và kết quả mô phỏng của cáp khi độ dày
lead sheath=3mm

HVTH:Trương Thị Họa My

57

xiii

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 5.4:

Danh sách các hình

Kết quả khảo sát theo độ dày lớp Lead Sheath

47

Hình 5.5a: Bảng thiết lập thông số và kết quả mô phỏng độ dày lớp bán dẫn

d = 1mm, hằng số điện môi εr = 2.5mm

58

Hình 5.5b: Bảng thiết lập thơng số và kết quả mô phỏng độ dày lớp bán dẫn
d = 2mm, hằng số điện mơi εr = 2.7mm
Hình 5.5c:

Hình 5.5:

59

Bảng thiết lập thông số và kết quả mô phỏng độ dày lớp bán dẫn
d = 3mm, hằng số điện môi εr = 2.9mm

59

Kết quả khảo sát độ dày lớp semiconductor

60

Hình 5.6a: Bảng thiết lập thông số và kết quả mô phỏng lớp giáp bảo vệ
với µ=1

61

Hình 5.6b: Bảng thiết lập thơng số và kết quả mô phỏng lớp giáp bảo vệ
với µ=10

61

Hình 5.6c: Bảng thiết lập thơng số và kết quả mơ phỏng lớp giáp bảo vệ
với µ=100
Hình 5.6

62

Kế t quả khảo sát lớp giáp bảo vê ̣

HVTH:Trương Thị Họa My

xiv

Luan van

62

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Danh sách các bảng

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 4.1: Khả năng mô phỏng của ATP

47

Bảng 5.1: Hằ ng số điê ̣n môi tương đố i tương ứng với đô ̣ dày lớp bán dẫn

58

HVTH:Trương Thị Họa My

xv

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chƣơng 1: Tổng quan

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Ngành công nghiệp điện lực là một trong những ngành công nghiệp cơ sở và
quan trọng nhất đối với bất kì quốc gia nào trên thế giới, đặc biệt là những nước
nhanh phát triển như nước ta. Trong hệ thống điện nói chung thì hệ thống các
đường dây truyền tải các đường dây đóng một vai trị quan trọng. Trước đây các
đường dây truyền tải thường là các đường dây trên không với hệ thống cột đỡ từ
một mạch ba dây dẫn thậm chí là đến bốn mạch 12 dây dẫn. Trong những năm gần
đây cùng với sự phát triển nhanh của đất nước đã hình thành các thành phố lớn, khu

dân cư đơng đúc với nhiều tịa nhà cao tầng. Do đó, việc xây dựng các đường dây
tải điện cao áp bằng hệ thống cáp ngầm đã trở thành một phần tất yếu của các hệ
thống điện hiện đại trong các trung tâm thành phố.
Bên cạnh đó, chất lượng điện năng cũng đang được quan tâm rất nhiều ở các
nước phát triển và đang phát triển. Người tiêu dùng không những yêu cầu được cấp
điện liên tục mà cịn địi hỏi nguồn điện đảm bảo chất lượng, khơng ảnh hưởng tới
các thiết bị. Các hiện tượng quá độ xảy ra trên hệ thống điện sẽ gây ra các thay đổi
về biên độ, tần số của điện áp nguồn. Các thay đổi này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến
chất lượng điện năng, làm giảm chất lượng nguồn điện sử dụng, gây ảnh hưởng và
làm giảm tuổi thọ thiết bị và gây ra những sự cố lớn trên hệ thống.
Vì vậy, việc nghiên cứu quá trình quá độ trong hệ thống điện là rất cần thiết,
đặc biệt là đối với cáp điện, giúp cải thiện đáng kể vấn đề chất lượng điện năng, an
toàn cho hệ thống cũng như về thiết bị.
Các chương trình phân tích và nghiên cứu hệ thống điện được dùng cho việc
nghiên cứu quá trình quá độ đều sử dụng các mơ hình của các phần tử của hệ thống
để mô phỏng nghiên cứu sự vận hành và ảnh hưởng của hệ thống điện cũng như của
các phần tử trong suốt thời gian nhiễu loạn. Việc xây dựng các mơ hình này địi hỏi

HVTH: Trƣơng Thị Họa My

1

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chƣơng 1: Tổng quan

việc tính tốn và nghiên cứu xác định các thông số đặc trưng của các phần tử thay
đổi trong suốt quá trình quá độ. Q trình tính tốn và xác định các thơng số này là
vấn đề rất phức tạp vì ngồi các thơng số cơ bản có thể xác định được qua các thí
nghiệm đơn giản hay được cung cấp bởi nhà sản xuất thì việc xác định các thơng số
phi tuyến của các phần tử trong hệ thống là vấn đề khó khăn. Việc xác định các
thông số phi tuyến của các phần tử trong hệ thống điện sẽ nâng cao độ chính xác
trong q trình mơ phỏng, giúp nghiên cứu được rõ ràng và cụ thể hơn sự ảnh
hưởng của quá trình quá độ đối với các phần tử trong hệ thống điện.
Đối với cáp điện, trong tính tốn q độ, điều quan trọng là phải mơ tả một
cách chính xác ruột dẫn, lớp cách điện, các lớp bán dẫn và lớp chống nhiễu. Đối với
quá độ ở tần số cao cần lưu ý đến tổn thất về nhu cầu cách điện giấy dầu phụ thuộc
vào tần số. Ý nghĩa các vật dẫn bên ngoài cáp phụ thuộc vào tác động chống nhiễu
của vỏ cáp. Điều này phụ thuộc vào việc thiết kế vỏ cáp và giá trị tần số quá độ.
Một vài mơ hình đường dây đã được thực hiện trong các chương trình EMTP
phổ biến hiện nay vốn có thể mơ tả một cách chính xác sự phụ thuộc vào tần số của
hệ thống cáp. Tất cả các mô hình này địi hỏi cùng một loại thơng số ngõ vào, cụ thể
là ma trận trở kháng nối tiếp Z và ma trận tổng dẫn song song Y. Nhìn chung, đối
với các hệ thống cáp, việc có được các thơng số ngõ vào đủ mức chính xác thì khó
hơn so với hệ thống đường dây trên khơng, vì khoảng cách hình học nhỏ trong hệ
thống cáp làm cho các thơng số cáp rất nhạy đối với sai lệch trong dạng hình học đã
định. Hơn nữa, vấn đề này lại trở nên phức tạp hơn do sự thiếu chính xác trong các
dữ liệu hình học do nhà sản xuất cung cấp vì họ chỉ định nghĩa các số đo cơ bản chứ
không nhất thiết là các số đo đo lường thực tế.
Chính vì vậy, cần phải “XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG CÁP
TRONG TRẠNG THÁI QUÁ ĐỘ” để đáp ứng tốt hơn cho việc nghiên cứu quá
độ trong hệ thống điện.

HVTH: Trƣơng Thị Họa My

2

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chƣơng 1: Tổng quan

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài trình bày phương pháp thành lập mơ hình tốn học và mơ phỏng cáp
ngầm cao thế trong trạng thái quá độ. Đề tài có thể được ứng dụng trong các lĩnh
vực sau:
- Nghiên cứu những phương trình cơ bản để thành lập mơ hình tốn học cho
cáp ngầm
- Dựa vào các yếu tố ảnh hưởng để mô phỏng cáp trong trạng thái quá độ
- Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để tham khảo và phục
vụ các nghiên cứu ở mức độ cao hơn
1.3 Đối tƣợng và mục đích đề tài
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cáp ngầm cao thế
- Mục đích của đề tài là thành lập mơ hình tốn học để từ đó mơ phỏng cáp
trong trạng thái q độ.
1.4 Nhiệm vụ đề tài
- Khảo sát cáp ngầm cao thế.
- Xây dựng mơ hình tốn học cho cáp ngầm cao thế.
- Phân tích các phương pháp phân tích q độ.
- Mơ phỏng cáp cao thế trong trạng thái quá độ bằng phần mềm EMTP
- Phân tích kết quả mơ phỏng

- Kết luận.
1. 5 Phƣơng pháp nghiên cứu
-

Tham khảo, phân tích, tổng hợp, sử dụng có chọn lọc tài liệu từ các cơng
trình nghiên cứu, các bài báo đã được công bố trên các tạp chí chun ngành
trong nước và ngồi nước .

-

Mơ phỏng bằng phần mềm.

-

Phân tích kết quả đạt được.

HVTH: Trƣơng Thị Họa My

3

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chƣơng 2: Mơ hình tốn học cho cáp ngầm cao thế

CHƢƠNG 2

MƠ HÌNH TỐN HỌC CHO CÁP NGẦM CAO THẾ
2.1 Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm cao thế với cách điện XLPE
Cấu trúc điển hình của cáp XLPE bao gồm những lớp được mô tả theo thứ tự
từ trong ra ngoài như sau:
1. Lõi cáp:
-

Với tiết diện dưới 800mm2, lõi gồm nhiều sợi xoắn đồng tâm

-

Với tiết diện từ 800mm2 trở lên, lõi gồm nhiều múi, thường là 4
hoặc 5, hoặc 6 múi. Mỗi múi gồm các sợi đồng nhỏ bện xoắn lại.

-

Phần khe hở giữa các múi được lấp đầy bằng vật liệu chống thấm
nước dọc theo chiều dài của cáp.

-

Tiêu chuẩn áp dụng cho lõi cáp : IEC 60228, độ tinh khiết của
đồng là 99,99%.

2. Lớp bán dẫn trong ( màn chắn ruột dẫn):
Vật liệu của lớp bán dẫn trong là polyythylene và được ép đùn, có tác
dụng làm giảm khả năng gây phóng điện cục bộ do bề mặt lồi lõm của
cáp (tạo thành bởi các sợi đồng nhỏ)
3. Lớp cách điện:
Được tạo thành bằng phương pháp đùn từ hợp chất XLPE (Crosslinked Polyethylene) –là loại vật liệu cách điện có nhiều đặc điểm nổi

bật. Độ dày tối đa của lớp cách điện là 16mm.
4. Lớp bán dẫn ngoài ( màn chắn cách điện):
Vật liệu của lớp bán dẫn trong là polyythylene, được ép đùn, có tác
dụng làm giảm khả năng ion hóa bề mặt sau lớp cách điện.
Lớp bán dẫn trong, lớp cách điện và lớp bán dẫn ngoài được. đùn
đồng thời trên một dây chuyền cơng nghệ và khơng thể bóc tách được
5. Màn chăn kim loại:

HVTH: Trƣơng Thị Họa My

4

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chƣơng 2: Mơ hình tốn học cho cáp ngầm cao thế

Màn chắn kim loại thường là một lớp băng đồng, sợi đồng hoặc cả băng
đồng và sợi đồng được quấn bên ngoài lớp bán dẫn tùy theo mục đích sừ
dụng.
Đối với cáp trung và cao thế thường xảy ra hiện tượng bức xạ điện từ (
phóng xạ), thì màn chăn kim loại sẽ có tác dụng bó từ trường trong phạm
vi cáp, không làm ảnh hưởng ra bên ngồi, vì vậy sẽ khơng xảy ra hiện
tượng phóng xạ.
6. Lớp bọc đệm:
Thường được làm từ vật liệu PVC và tạo thành bằng phương pháp

đùn.
7. Lớp giáp bảo vệ:
Thường được làm từ sợi thép, băng thép hay sợi nhôm, băng nhôm
tùy theo yêu cầu hệ thống. Được quấn bên ngồi lớp bọc đệm và có
tác dụng chống va đập cơ học.
8. Lớp vỏ ngoài:
Thường được làm bằng vật liệu PVC hay PE. Có tác dụng bảo vệ cho
tồn bộ cáp, bảo vệ lớp vỏ kim loại khỏi bị tác động ăn mịn điện hóa
của mơi trường. Có thể phủ thêm một lớp chống bền nhiệt để chống
cháy khi có sự cố hỏa hoạn xảy ra (thường áp dụng cho các đoạn cáp
tiếp xúc với khơng khí)
Hệ thống cáp ngầm hiện nay chủ yếu dung Polyethylen làm vật liệu cách điện. Lớp
vỏ cách điện này đã được làm thí nghiệm trong thời gian dài và được kết luận là
đảm bảo tính tin cậy cao. Những hệ thống cáp điện dựa trên công nghệ này đã được
vận hành hơn hai mươi năm và được ghi lại về độ tin cậy cao.

HVTH: Trƣơng Thị Họa My

5

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chƣơng 2: Mơ hình tốn học cho cáp ngầm cao thế

Hình 1.1: Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm bọc cách điện XLPE

Hình 1.2: Mặt cắt ngang của cáp ngầm XLPE

HVTH: Trƣơng Thị Họa My

6

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chƣơng 2: Mơ hình tốn học cho cáp ngầm cao thế

2.1.1 Các kĩ thuật chôn cáp trực tiếp trong đất:
Phương pháp chôn cáp trực tiếp trong đất được áp dụng rộng rãi trên thế giới
chủ yếu vì các đặc điểm sau đây:
- Thời gian lắp đặt nhanh
- Giá thành tương đối rẻ so với các phương pháp lắp đặt khác.
- Kĩ thuật chôn lấp đơn giản bằng việc dung đất, hoặc cát thông thường
để chôn lấp, dễ thi công.
Một số lưu ý khi chôn cáp trực tiếp trong đất:
- Độ sâu của rãnh chôn cáp phải đảm bảo rằng cáp ngầm phải được bảo
vệ bởi các tác động cơ khí như xe cộ, sự đào bới của các thiết bị…và
đảm bảo mức độ an toàn cho người trong trường hợp có sự cố hư
hỏng về điện trong cáp
- Độ rộng của rãnh chôn cáp phụ thuộc vào phương pháp đặt cáp,
khoảng cách giữa các pha, cấp điện áp và dòng điện cần truyền tải. Độ

rộng của rãnh chôn cáp sẽ tăng tỉ lệ với các yếu tố sau:
+ Độ lấp đầy của cát và vữa
+ Số mạch của tuyến cáp.
Các dây cáp ngầm cần phải được đặt trên một lớp cát phẳng đầy ít nhất 15cm hoặc
là mặt sàn đất đã được nén kĩ hoặc tráng một lớp vữa phẳng.
Khoảng cách giữa các dây cáp đặt gần nhau phụ thuộc vào diện tích tính tốn ảnh
hưởng nhiệt độ dung để tính tốn cơng suất mỗi dây.
2.1.2 Lợi ích của việc sử dụng cáp ngầm cho hệ thống truyền tải cao áp:
Những lợi ích chính của việc sử dụng hệ thống cáp ngầm cao áp gồm có:
1. Linh hoạt và đơn nhất: Chỉ có hệ thống cáp ngầm mới có những tính chất
duy nhất như sau: nó được đặt ngầm, đảm bảo tính mỹ thuật của các
thành phố hiện đại và thông thường chỉ yêu cầu một khoảng đất nhỏ hơn
để lắp đặt, hạn chế điện trường, từ trường và giảm tổn thất. Do đó, hệ
thống truyền tải cáp ngầm cao áp thích hợp cho các trường hợp sau:
-

Những vùng đô thị đông đúc dân cư

HVTH: Trƣơng Thị Họa My

7

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chƣơng 2: Mơ hình tốn học cho cáp ngầm cao thế

-

Những vùng hạn chế về đất đai, những vùng có địa lý phức tạp

-

Những vùng thiên nhiên được bảo tồn và cơng trình xây dựng là di
sản văn hóa

-

Những vùng đất được dùng cho việc mở rộng các thành phố trong
tương lai, hoặc để mở rộng, phát triển các vùng dân cư.

2. Giải pháp hiệu quả về giá:
Trong quá khứ, chi phí cao là một trong những nguyên nhân cản trở
việc ứng dụng hệ thống cáp ngầm. Ngày nay, với những phương pháp sản
xuất tiên tiến, giá thành thấp, sự tiến bộ về công nghệ sản xuất và lắp đặt,
sự tăng lên về độ tin cậy, sự chênh lệch về giá giữa đường dây truyền tải
bằng cáp ngầm và đường dây truyền tải trên không đã được thu nhỏ lại.
Điều này có nghĩa là các nhà hoạch định ngày càng quan tâm nhiều đến
hệ thống cáp ngầm như là một giải pháp tinh tế và kỹ thuật hiệu quả lâu
dài khi mà những khó khăn về đất đai, cũng như yêu cầu về thẫm mỹ
trong quá trình phát triển hệ thống.
Ngồi việc cản trở tầm nhìn thì hệ thống cáp ngầm cũng yêu cầu một
chi phí bảo dưỡng thấp hơn so với đường dây trên khơng. Nhìn chung,
chúng ít chịu ảnh hưởng từ các hiện tượng thời tiết như: giông, sét, mưa,
bão.
Hơn nữa, hệ thống cáp ngầm được sản xuất là dây dẫn đồng, do đó có

thể giảm đến khoảng 30% tổn thất so với đường dây trên khơng. Chính vì
vậy, có thể nói rẳng đây là một giia3 pháp chấp nhận được về mặt kinh tế.

HVTH: Trƣơng Thị Họa My

8

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh


Luận Văn Thạc Sĩ

Chƣơng 2: Mơ hình tốn học cho cáp ngầm cao thế

2.2 Mơ hình tốn học cho cáp ngầm cao thế:
Để đưa ra được các đặc tính truyền sóng, trước hết chúng ta cần thiết lập
phương trình nêu lên mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện tại một điểm có tọa độ
bất kỳ trên đường truyền sóng. Từ đó, giải phương trình tính điện áp và dịng điện
để phân tích và đưa ra các đặc tính truyền sóng.
Xét một đường truyền sóng chiều dài l, đặt tương ứng với trục tọa độ x từ tọa
độ x=0 đến x=l. Đầu vào đường truyền có nguồn tín hiệu Es, nội trở Zs, đầu cuối
đường truyền được kết thúc bởi tải ZL. Sóng tín hiệu từ nguồn Es lan truyền theo
hướng Ox đến tải ZL (hình 1.1). Giả sử chiều dài l lớn hơn nhiều lần so với bước
sóng  nên hệ thống có thơng số phân bố.
i(x, t)
Nguồn

i(x+Δx, t)

Đường truyền sóng

Zs

v(x, t)

Es

0

Tải ZL

v(x+Δx, t)

x

l

x+Δx

Trục tọa độ x

Hình 2.1: Phương trình đường truyền sóng
Xét tại một điểm trên đường truyền có tọa độ x bất kỳ. Trên đoạn vi phân
chiều dài x ; x+x, cũng có hiện tượng lan tuyền sóng; tuy nhiên do x<< ( vi
phân chiều dài) nên ta có thể thay thế đoạn đường truyền x có thơng số phân bố
bằng một mạch điện tương đương có thơng số tập trung.
Trên đoạn vi phân chiều dài x, đoạn chiều dài đường truyền sóng sẽ được
thay thế bằng mạch điện thơng số tập trung như hình 1.2

HVTH: Trƣơng Thị Họa My

9

Luan van

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh