Xá Định Á Thông Số Ấu Trú Ủa Đường Dây Truyền Tải Điện Lạnh.pdf

bộ giáo dục và đào tạo
Trờng Đại học bách khoa hà nội
************************

luận văn thạc sỹ khoa học

xác định các thông số cấu trúc của
đờng dây truyền tải điện lạnh

ngành: mạng và hệ thống điện
mà số: 02.06.07

Thực hiện: Nguyễn đức minh
Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Phan đăng khải

hà nội 2006

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131624441000000


Mục lục
Lời nói đầu

Trang

Chơng 1:Tổng quan về truyền tải điện và truyền tải điện lạnh
1.1. Các khái niệm và định nghĩa cơ bản

4

1.2. Các đờng dây truyền tải siêu dẫn

6

1.3. Các đờng dây truyền tải điện lạnh

12

1.4. Thiết bị điện siêu dẫn

18

1.5. Đánh giá kinh tế một cách hệ thống các bộ tích
trữ điện năng

25

Chơng 2:Các nguyên lý mô tả sơ đồ đờng dây truyền tải điện lạnh
2.1. Những khái nệm cơ bản

36

2.2. Các sơ đồ truyền tải điện sử dụng chế độ ngợc pha

38

2.3. Các sơ đồ đờng dây có các pha ghép đôi

42

2.4. Các sơ đồ đờng dây có liên kết điện dung

44

2.5. Các sơ đồ đờng dây đa mạch

46

2.6. Các sơ đồ đờng dây truyền tải điện điều khiển đợc

48

2.7. Sơ đồ các đờng dây điện siêu dẫn một chiều

53

Chơng 3: Đặc điểm và qui tắc xác định các thông số cấu trúc của đờng
dây truyền tải điện lạnh.
3.1. Khái niệm

57

3.2. Qui tắc xác định các thông số cấu trúc của đờng
dây truyền tải mềm và cứng

59

3.3. Tính toán các thông số cấu trúc của đờng dây
truyền tải siêu dẫn cứng

65

3.4. Tiêu chuẩn tơng tự dùng để phân tích các thông số
cấu trúc đờng dây truyền tải

72


3.5. Xét sự phân bố các thông số của đờng dây truyền
tải điện lạnh trong tính toán điện

76

3.6 Độ dài tới hạn của đờng dây siêu dẫn

80

Chơng 4:Các chế độ của lới điện có truyền tải điện lạnh
4.1. Giới thiệu chung

82

4.2. Mức tiêu hao công suất tự dùng trong các đờng dây lạnh

84

4.3. Tối u hoá chế độ làm việc của lới có các đờng
dây thông thờng và lạnh của hệ thống truyền tải điện

86

4.4. Tối u hoá chế độ lới có các đờng dây truyền tải loại
thông thờng và loại siêu dẫn

89

4.5. Tối u hoá chế độ làm việc của lới truyền tải
có dây dẫn lạnh và siêu dẫn

93

4.6. Tối u hoá phân phối phụ tải trong các lới điện có
đờng dây truyền tải lạnh bằng phơng pháp lập trình động lực

95

4.7. Chọn các thông số của thiết bị điều khiển dọc- ngang
trong các lới truyền tải điện thông thờng và lạnh

99

4.8. Phân tích khả năng bù dọc đối với phân phối kinh tế
các công suất trong lới có dây dẫn loại thờng và loại lạnh

104

4.9. Đánh giá định lợng khả năng mang tải của lới có
truyền tải điện lạnh

111

4.10. Xác định công suất thiết bị bù cho các đờng dây
truyền tải siêu dẫn

119

Chơng 5: Nhận xét và kết luËn

125


1
Luận văn thạc sỹ khoa học

Lời nói đầu

Nhu cầu điện năng tăng trởng 2-3 lần mỗi thập kỷ, điều này dẫn đến cần
phải tăng công suất truyền tải cho mối liên kết các nguồn điện với các trung
tâm tiêu thụ. Một trong các giải pháp hiệu quả của việc tăng khả năng truyền
tải điện là nâng cao điện áp danh định. Hiện nay các đờng dây truyền tải trên
không với điện áp 1150 kV đang đợc xây dựng. Tuy nhiên có sự hạn chế
trong giới hạn nâng cao điện áp đờng dây do khó khăn bởi giới hạn cho phép
trong sử dụng các đặc tính cách điện của không khí. Hạn chế của các đờng
dây truyền tải trên không điện áp cao cũng là do chúng cần diện tích chiếm
dụng lớn, trong điều kiện này ở trong rất nhiều trờng hợp nh trong thành
phố hoặc trên địa phận các khu công nghiệp lắp đặt các đờng dây trên không
dạng này là không thể. Ngoài ra ở các đờng dây trên không tổn thất công
suất và tổn thất điện năng lớn (tới 10-12%), các dạng tổn thất này thờng do
đặc tính kỹ thuật của đờng dây sinh ra trong quá trình truyền tải và phân phối
điện năng mà nguyên nhân chính là do hiện tợng phát nóng trên đờng dây.
Chính vì điều này dẫn đến cần phải xây dựng các đờng dây truyền tải mới

với công suất cao, một trong những biện pháp thiết lập đờng dây truyền tải
loại này là sử dụng nhiệt độ thấp.
Bằng các khảo sát cho thấy trong những thập kỷ gần đây nhất là trong
vòng 7-10 năm trở lại đây ở Liên xô cũ và Nga ngày nay và các nớc phát
triển khác khả năng thực tế về kĩ thuật của các đờng dây truyền tải điện lạnh
một chiều và xoay chiều (siêu dẫn và dẫn ®iƯn ë nhiƯt ®é thÊp) ®· ®ỵc chøng
minh. Trong trêng hợp này yêu cầu khối lợng lớn các công trình cáp điện
lạnh. Tuy nhiên bớc đầu sử dụng thực tế các đờng dây truyền tải này trong
chừng mực đáng kể mang những chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật không đủ cao. Chúng

Nguyễn Đức Minh- Lớp Cao học hệ thống điện EVN 2004- 2006


2
Luận văn thạc sỹ khoa học

có thể đợc cải thiện bằng cách tối u hoá các kết cấu cáp điện lạnh và thiết bị
làm lạnh, đồng thời tính toán xác lập các biện pháp hợp lí trong việc đấu nối
các đờng dây truyền tải điện lạnh vào hệ thống điện..
Trong thời đại hiện nay việc sản xuất các kết cấu cáp điện lạnh yêu cầu
khối lợng công việc lớn lao, đó là khảo sát liên quan đến việc kết nối truyền
tải điện lạnh vào hệ thống điện hiện có và nghiên cứu các chế độ công tác của
chúng nh là một bộ phận của hệ thống tuy nhiên số lợng công việc này và
kết quả thu đợc rất hạn chế.
Trong đề tài này thực hiện việc thử nghiệm tính toán tăng điện áp danh
định, những công tác tổng kết cho các nguyên tắc kinh tế kĩ thuật cho phép
của các bộ phận truyền tải lạnh riêng rẽ và việc phân tích chúng về kinh tế kĩ
thuật. Những hoạt động tổng kết và phát triển trong việc thiết kế các hệ thống
đấu nối truyền tải điện lạnh nhằm kết nối chúng vào các hệ thống điện. Các sơ
đồ đợc đề xuất xem xÐt n»m trong mèi liªn quan víi kÕt cÊu các cáp dẫn điện

lạnh. Ngời ta đà thiết lập qui luật xác định các thông số kĩ thuật về điện (điện
dung, điện cảm, điện trở dạng sóng, công suất tự nhiên...) của các đờng dây
truyền tải siêu dẫn có các dây dẫn mềm, cứng hoặc siêu dẫn tuỳ theo điện áp
định mức và công suất tính toán khi không có sự nghiên cứu chi tiết về các
cấu trúc của các đờng cáp. Đề xuất tiêu chuẩn đồng dạng cho việc phân tích
các thông số, ngời ta đà đề xuất và giải bài toán xác định tối u công suất
trong các lới điện của hệ thống năng lợng: có truyền tải thông thờng, siêu
dẫn và nhiệt độ thấp. Các phơng pháp tối u hoá đà đợc đề xuất phù hợp
cho các lới với tập hợp bất kì các loại đờng dây truyền tải. ĐÃ thu đợc các
mối quan hệ dùng cho việc lựa chọn các thông số của các thiết bị phân phối
công suất một cách bắt buộc trong các mạch kín có truyền tải điện siêu dẫn và
lạnh.

Nguyễn Đức Minh- Líp Cao häc hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006


3
Luận văn thạc sỹ khoa học

Đợc sự quan tâm rất lớn từ Ts. Phan Đăng Khải, các Giáo s, Tiến sĩ
trong Bộ môn Hệ thống điện Đại học Bách khoa Hà nội và vận dụng những
kiến thức đợc trang bị trong trờng tôi đà hoàn thành bài luận văn này. Mặc
dù bản thân đà cố gắng rất nhiều nhng do đây là một hớng giải quyết hoàn
toàn mới trong phơng pháp hạn chế tổn thất điện năng của mạng điện mà
thực tế cha đợc trải nghiệm nên chắc chắn có những điều cần bổ xung điều
chỉnh...Tôi rất mong các Giáo s, Tiến sỹ với chuyên môn và kinh nghiệm của
mình hớng dẫn chỉ bảo nhằm tìm ra hớng đi mang tính thực tế, hiệu quả cao
cho hớng giải quyết này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ts. Phan Đăng Khải đà giúp đỡ tôi thực hiện
bài luận văn này và cám ơn những ý kiến chỉ bảo từ các Giáo s, Tiến sỹ và

các bạn.

Nguyễn Đức Minh- Lớp Cao học hệ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006


4
Luận văn thạc sỹ khoa học

Chơng 1

Tổng quan về truyền tải điện
và truyền tải điện lạnh

1.1. Các khái niệm và định nghĩa cơ bản
Các thiết bị điện lạnh đợc chia thành loại siêu dẫn và truyền tải điện
lạnh.
- Đờng dây truyền tải siêu dẫn: Tổ hợp một hoặc một số cáp siêu dẫn
cùng với các thiết bị kết nối và các mối nối, trong đó các thành phần dẫn dòng
ở chế độ làm việc bình thờng đạt đợc trạng thái siêu dẫn cùng với các thiết
bị đảm bảo duy trì chế độ nhiệt độ định trớc (thiết bị làm lạnh, thiết bị tích
năng...).
- Máy biến áp siêu dẫn: Tổ hợp máy biến áp riêng lẻ bao gồm khung từ,
các cuộn dây trong đó một phần hoặc toàn bộ làm việc ở chế độ bình thờng
đạt đợc trạng thái siêu dẫn cùng với các thiết bị đảm bảo duy trì chế độ nhiệt
theo quy định.
Tơng tự: Trong các đờng dây truyền tải điện lạnh và máy biến áp, bao
gồm cả các thiết bị đảm bảo duy trì nhiệt theo định trớc cùng với các phần tử
dẫn dòng đợc làm lạnh ở nhiệt độ thấp hơn 100-120 0K nhng không đạt
đợc trạng thái siêu dẫn.
- Máy phát điện siêu dẫn: Tổ hợp của máy phát riêng, trong đó cuộn

dây Rôto, cuộn dây Stato hoặc cả hai ở chế độ làm việc bình thờng đạt đợc
trạng thái siêu dẫn cùng với các thiết bị duy trì chế độ nhiệt theo quy định.

Nguyễn Đức Minh- Líp Cao häc hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006


5
Luận văn thạc sỹ khoa học

- Bộ kháng điện siêu dẫn: Kháng điện mà cuộn dây của nó ở chế độ
làm việc bình thờng đạt đợc trạng thái siêu dẫn.
- Máy cắt siêu dẫn: Thiết bị chuyển mạch có các bộ phận dẫn điện trong
mạch mang tải ở chế độ làm việc bình thờng đạt đợc trạng thái siêu dẫn.
- Bộ tích năng siêu dẫn: Tổ hợp của cuộn cảm đợc nối vào mạch siêu
dẫn kín, các thiết bị dẫn điện vào và ra, các thiết bị tích năng, điều khiển và
bảo vệ.
- Bộ tích năng phân phối siêu dẫn: Là bộ tích trữ điện năng trong đó
thành phần cảm ứng ở dạng mạch vòng đợc tạo bởi các đờng cáp truyền tải
siêu dẫn.
- Truyền tải điện siêu dẫn: Tổ hợp các đờng dây truyền tải siêu dẫn,
các trạm biến áp tăng, giảm áp, các trạm trung gian có các máy biến áp siêu
dẫn, các thiết bị biến đổi siêu dẫn và các thiết bị đấu nối điều khiển đảm bảo
cho quá trình biến đổi truyền tải năng lợng điện và quá trình sản xuất, tích
trữ và tuần hoàn chất làm lạnh. Truyền tải điện siêu dẫn có thể không bao gồm
các thành phần riêng rẽ có trong định nghĩa ( thí dụ thiết bị biến đổi). Trong
truyền tải siêu dẫn việc sản xuất, tích trữ và tuần hoàn chất làm lạnh có thể
đợc bố trí riêng biệt cho đờng dây, máy biến áp...
- Hệ thống truyền tải điện siêu dẫn: Tổ hợp của các máy phát siêu dẫn,
các trạm biến áp tăng, hạ áp, các trạm trung gian có các máy biến áp siêu dẫn.
Các thiết bị biến đổi và máy móc điều khiển, đấu nối siêu dẫn, các đờng dây

truyền tải siêu dẫn đợc hợp nhất bởi quá trình sản xuất, biến đổi, truyền tải
điện năng và quá trình sản xuất, tích trữ và tuần hoàn chất làm lạnh.
- Hệ thống cung cấp điện siêu dẫn: Tổ hợp của các máy phát, máy biến
áp siêu dẫn và các đờng dây truyền tải, thiết bị đấu nối, điều khiển nối vào

Nguyễn Đức Minh- Lớp Cao học hệ thống điện EVN 2004- 2006


6
Luận văn thạc sỹ khoa học

một mạch nhánh để sản xuất, biến đổi, truyền tải điện năng kết hợp với việc
sản xuất, tích trữ và tuần hoàn chất làm lạnh.
- Hệ thống năng lợng điện lạnh: Tổ hợp của các trạm phát điện có
máy phát điện lạnh, các trạm phân phối với các máy biến áp điện lạnh và các
thiết bị biến đổi siêu dẫn, các thiết bị tích năng siêu dẫn và các đờng dây
truyền tải điện lạnh đảm bảo duy trì quá trình sản xuất, biến đổi, tích trữ,
truyền tải năng lợng điện và quá trình sản xuất, tích trữ, tuần hoàn chất làm
lạnh. Các hệ thống điện lạnh có thể chỉ gồm các thành phần siêu dẫn.
- Một phần tử của hệ thống điện lạnh: Một phần tử của hệ thống tham
gia vào quá trình sản xuất, biến đổi, tích trữ và truyền tải điện năng hoặc quá
trình sản xuất, tích trữ và tuần hoàn chất làm lạnh.

1.2. Các đờng dây truyền tải siêu dẫn
Đa số các giải pháp về xây dựng cấu trúc đờng dây truyền tải điện lạnh
hiện nay đà đợc nghiên cứu và trình bày chính vì vậy ở đây sẽ không đề cập
chi tiÕt cđa chóng mµ sÏ chØ thùc hiƯn tỉng kÕt ngắn gọn và đa ra những thời
điểm áp dụng đa các đờng dây truyền tải điện lạnh vào làm việc trong hệ
thống điện nh là một bộ phận của hệ thống.
Các đờng dây truyền tải siêu dẫn theo loại dòng điện có thể chia thành

các đờng dây xoay chiều, một chiều. Vật liệu cách nhiệt có thể dùng cách
nhiệt chân không, cách nhiệt bột-chân không, vật liệu siêu cách nhiệt. Chất
làm lạnh chủ yếu là Hêli, đôi khi có thể sử dụng Hydro lỏng. Các cáp siêu dẫn
đà biết không có màng cách nhiệt trung gian mà chỉ có một vài màn chắn
trung gian. Hydro và Nitơ đợc dùng làm chất làm lạnh cho các lớp màn chắn
trung gian này.

Nguyễn §øc Minh- Líp Cao häc hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006


7
Luận văn thạc sỹ khoa học

Theo cấu trúc chung, cáp siêu dẫn đợc chia thành loại cứng có phần dẫn
dòng và ống bao lạnh đợc làm từ các ống cứng; loại bán cứng gồm phần dẫn
dòng dẻo và vỏ bao lạnh cứng trong đó cả hai đầu có thể uốn đợc. Các cáp
siêu dẫn có thể là loại một pha, ba pha vµ nhiỊu pha, cã sè pha ë vá bao lạnh
nhiều hơn 3.
Theo quan điểm làm việc của đờng dây siêu dẫn dòng xoay chiều trong
hệ thống điện, quan trọng nhất là phải xét tới kết cấu pha, sự sắp xếp các pha
và loại cách điện đợc sử dụng. Các dây pha thờng thấy gồm dây dẫn có
dạng tròn đơn, đặt đồng trục gồm hai hay nhiều ống tròn hơn.
Nếu mỗi pha của đờng dây đợc làm bằng một ống dẫn điện thì ba pha
của một mạch hoặc 6 pha của hai mạch có thể đặt trong 1 vỏ bọc chung đợc
bảo vệ bằng màn chắn điện từ. Hoàn toàn biết rằng cấu trúc đồng trục của
đờng dây 3 pha trong đó cả 3 pha đợc làm bằng các ống dẫn điện đợc đặt
đồng tâm đối với nhau.
Trong tất cả các dạng cấu trúc hiện nay đợc đề cập đến ngời ta thiên về
cấu trúc có dạng các ống dẫn điện đợc đặt đồng trục (Hình 1.1). Chính vì lẽ
đó chúng ta chỉ quan tâm xem xét cấu trúc loại này.

a

1

b

2
3
4
5

Hình 1.1. Các phơng án kết cấu cáp siêu dẫn dòng điện xoay chiều
a- Cáp 3 pha; b- Cáp 6 pha.
1- Dây siêu dẫn có vỏ đệm; 2- Cách điện (vật liệu); 3- Chất làm lạnh;
4- Vật liệu cách nhiệt; 5- Chất làm lạnh trung gian.

Nguyễn Đức Minh- Lớp Cao häc hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006


8
Luận văn thạc sỹ khoa học

Dạng ống dẫn điện cho phép sử dụng chính chúng để lu thông chất làm
lạnh, kết quả là đảm bảo đợc quá trình làm lạnh một cách thuận tiện đảm bảo
đợc tính compact của kết cấu cáp. Do các cáp siêu dẫn cho phép tăng dòng
làm việc một cách đáng kể, vấn đề quan trọng hơn là san bằng đợc từ trờng
phát sinh do chính các dòng điện này. Khi bố trí các ống dẫn pha đồng trục và
có chiều dòng điện ngợc nhau trong chúng vấn đề này đợc giải quyết bằng
biện pháp tốt nhÊt lµ: Trong cÊu tróc nµy tõ trêng chØ n»m giữa các dây dẫn
đồng trục.

Khả năng tăng cao dòng điện làm việc cho phép đạt đợc ngay cả trong
các đờng dây siêu dẫn điện áp không lớn lắm, tuy nhiên trong trờng hợp
này có sự hạn chế mức độ ổn định tĩnh. Việc phân bố các dây pha kiểu đồng
trục và có chiều dòng điện ngợc nhau cho phép nâng cao giới hạn công suất
truyền tải do điện kháng giảm một cách đáng kể.
Các đờng dây dẫn dòng một chiều có các dạng khác nhau sau: Loại có
các dây dẫn phân bố tập trung đợc nối với các cực khác nhau; loại có các dây
dẫn hình ống có các cực khác nhau có màn chắn chung và có màn chắn riêng
cho mỗi cực (trong các cáp khác nhau).
Cách điện trong các cáp siêu dẫn sử dụng chân không, chất làm lạnh chủ
đạo, vật liệu cách điện tổng hợp cứng đợc tẩm chất làm lạnh, giấy cách điện.
Độ bền điện của cách điện và tổn hao điện môi trong vật liệu cách điện có ảnh
hởng mạnh tới các thông số về điện và chế độ làm việc của các đờng dây
siêu dẫn trong hệ thống.
Vật liệu siêu dẫn có ảnh hởng quyết định tới khả năng tải và các chỉ số
kinh tế- kỹ thuật của đờng dây truyền tải điện. Hiện nay vật liệu siêu dẫn
đợc dùng với đờng dây truyền tải siêu dẫn là: Các kim loại Nb (Ni-ô-bi),
chì; hợp chất Nb-thiếc, Nb-Giécmani, hợp kim Nb-Titan, Nb- Zr(Ziriconi).

Nguyễn Đức Minh- Líp Cao häc hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006


9
Luận văn thạc sỹ khoa học

Phơng pháp tính toán và đánh giá số lợng các chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật
của các đờng dây truyền tải siêu dẫn đà đợc nghiên cứu trong nhiều công
trình. Kết quả các công trình nghiên cứu đà đa ra đợc các qui luật tổng quát
đặc trng cho việc thực hiện các cấu trúc cáp khác nhau. Nh vậy rõ ràng tổng
chi phí ít phụ thuộc vào chế độ nhiệt của chất làm lạnh trong toàn bộ dải thay

đổi nhiệt độ có thể có.
Các phơng ¸n kh¸c nhau vỊ kÕt cÊu nhiỊu líp cđa vá bao lạnh đà đợc
nghiên cứu (Hình 1.1): 1- Hai lớp chân không: đợc phân cách bởi khoang
chứa đầy chất làm lạnh trung gian; 2- Tơng tự nhng có thân lớp vỏ bọc cách
nhiệt bên ngoài cùng làm từ vật liệu siêu cách nhiệt; 3- Cả hai phơng án trên
nhng vùng chất làm lạnh trung gian đợc làm dới dạng các ống đợc hàn
ghép với nhau thành các ống định hình và chứa chất làm lạnh trung gian.
Các tính toán cho thấy độ dầy tối u của lớp chân không giữa màn chắn
trung gian và vùng chứa Hêli đối với cấu tróc 3 pha lµ 0,6- 1,4 cm vµ 0,6- 2,6
cm đối với câua trúc 6 pha.Trị số tối u của bề dày lớp cách nhiệt bên ngoài
đợc giới hạn trong khoảng tơng ứng: 0,7- 1,7 cm và 0,7- 2,5 cm trong
trờng hợp cách nhiệt là chân không còn 0,4- 0,7 cm còn khi dùng vật liệu
siêu cách nhiệt không phụ thuộc vào số lợng pha. Trong trờng hợp này cho
thấy độ bền vững của các tổn hao trong vùng nhỏ nhất đối với mọi công suất
và điện áp danh định.
Phân tÝch so s¸nh viƯc sư dơng vá bao dïng c¸ch nhiệt chân không và vật
siêu cách nhiệt cho thấy việc sử dụng vật liệu siêu cách nhiệt cao cấp là kinh
tế hơn cả.
Bề dày của lớp màn cách nhiệt bằng Nitơ là 1-2 cm cho cấu trúc 3 pha, 13 cm cho cấu trúc 6 pha không phụ thuộc vào trị số công suất tính toán cũng
nh điện áp danh định của đờng dây. Ngoài ra vỏ bao cách nhiệt có thể đợc
chế tạo không có màn chắn trung gian dới dạng bọc vật liệu siêu cách nhiệt

Nguyễn Đức Minh- Líp Cao häc hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006


10
Luận văn thạc sỹ khoa học

suốt dọc vỏ bao vùng lạnh. Đây là cấu trúc đơn giản nhất, tuy nhiên loại này
làm tăng nhiệt gấp đôi trong vùng lạnh so với cấu trúc có lớp màn bao lạnh

trung gian. Phơng án cấu trúc đơn giản có thể tạo nên cấu trúc phức tạp hơn
trong việc chế tạo lớp vỏ bọc cách nhiệt. Nhiệt độ tối u của lớp màn ngăn
cách trung gian trong khoảng 80-120 0K và về thực tế không phụ thuộc vào trị
số công suất tính toán và điện áp dây. Chất làm lạnh trung gian tốt nhất là
dùng Nitơ.
Vấn đề quan trọng là lựa chọn loại vật liệu siêu dẫn. Trong các tài liệu
có thể gặp các quan điểm trái ngợc nhau liên quan đến việc lựa chọn sử dụng
loại dây siêu dẫn loại này hoặc loại khác. Tuy nhiên rõ ràng là việc sử dụng
chì kém hiệu quả kinh tế hơn. Khi so sánh Niobi và hỵp kim Stanid- Niobi
thÊy râ viƯc sư dơng Niobi (cho công suất nhỏ còn Stanid- Niobi cho công
suất lớn hơn).
Các hợp kim Nb-Ti, Nb-Zr không có khả năng cạch tranh với StanidNiobi. Các nghiên cứu về tính hiệu quả của việc sử dụng vật liệu siêu dẫn
Nb 3 Ge làm vật liệu dẫn cho thấy giá thành đờng dây siêu dẫn trong vùng
công suất kinh tế có thể giảm 20-30%.
Trong thiết kế cụ thể và các nghiên cứu sau này đà chỉ ra đợc các vùng
sử dụng hợp lý và kinh tế của dải công suất theo các cấp điện áp khác nhau.
Các tính toán cho kết quả: Công suất 1-2 GW điện áp phù hợp nhất là 110 kV;
2-5 GW là 220 kV; 5-10 GW là 330 kV.
Không phải tất cả các vật liệu và thiết bị cần cho đờng dây siêu dẫn hiện
nay đều có các đặc tính xác định. Gắn liền với vấn đề này việc quan trọng là
phải làm rõ ảnh hởng của tính bất định trong bài toán tìm cách nâng cao hiệu
quả kinh tế của các đờng dây siêu dẫn. Cần phải thiết lập đợc các điều kiện
ảnh hởng trực tiếp đến các chỉ tiêu kinh tế của các đờng dây siêu dẫn nh
giá thành vật liệu cách điện, thiết bị làm lạnh bằng Hêli, chất làm lạnh và dây

Nguyễn Đức Minh- Lớp Cao häc hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006


11
Luận văn thạc sỹ khoa học

siêu dẫn, còn ảnh hởng của việc thay đổi giá thành của các lớp vỏ bao lạnh là
không đáng kể.
Trong lĩnh vực vật liệu, việc nghiên cứu đợc tiến hành theo hớng tìm
đợc dây dẫn siêu dẫn có nhiệt độ tiêu chuẩn cao hơn. Việc dùng các dây dẫn
siêu dẫn có nhiệt độ cao có thể cho phép đối với Hydro lạnh hoá lỏng. Theo lý
thuyết, giới hạn nhiệt độ tiêu chuẩn của dây siêu dẫn vào khoảng 40 0K. Việc
phân tích cho thấy rằng sử dụng loại dây siêu dẫn giả định này với các đặc
tính nh của Niobi cho phép giảm đợc chi phí qui dẫn không ít hơn 2-3 lần.
Khi xác định các thông số cấu trúc của cáp siêu dẫn, ngời ta sử dụng
một loạt hệ số dự trữ, việc tìm ra trị số định lợng chính xác của chúng gặp rất
nhiều khó khăn. Đối với các hệ số này, đầu tiên là các hệ số dự trữ về dòng
điện: k I, điện áp: kU . Kết quả phân tích sự ảnh hởng của hệ số dòng điện k I
tới chi phÝ qui dÉn cho thÊy r»ng trong trêng hỵp sư dụng dây siêu dẫn mềm
loại Niobi mức độ ảnh hởng đó là đáng kể. Điều này đợc giải thích nh sau:
trong dây siêu dẫn mềm để tải dòng điện thờng chỉ sử dụng một lớp mỏng bề
ngoài vì vậy đờng kính dây dẫn pha và các kích thớc cấu trúc hình học khác
tỷ lệ thuận với trị số k I .ị thể hiện khác đợc nghiên cứu trong trờng hợp sử
dụng dây siêu dẫn cứng kết hợp với việc sử dụng ở chế độ công tác của khả
năng truyền tải của đờng dây, ở đây dự phòng theo dòng điện ít ảnh hởng
đến giá thành của cáp.
ảnh hởng của sự thay đổi k U lên các chỉ tiêu kinh tế của đờng dây là
đáng kể. Chi phí qui dẫn đối với đờng dây siêu dẫn 110 kV tăng 40-50% khi
k U tăng từ 2-5. Trong trờng hợp này chủng loại dây siêu dẫn có ảnh hởng
đáng kể đến các kết quả.
Giá trị tuyệt đối của chi phí đối với đờng dây siêu dẫn truyền tải dòng
xoay chiều cao và chi phí cho các đờng dây truyền tải trên không tăng tơng
ứng với khả năng tải từ 5 đến 10 lần. So sánh với chi phí cho các đờng cáp

Nguyễn Đức Minh- Líp Cao häc hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006

12
Luận văn thạc sỹ khoa học

dầu thì chi phí cho các đờng dây siêu dẫn có thể so sánh đợc víi møc c«ng
st díi 1,5-2 GW. Cïng víi viƯc tèi u hoá từng thông số của các đờng
cáp siêu dẫn trong tơng lai xa vẫn cha tận dụng đợc khả năng nâng cao
hiệu quả của việc sử dụng các đờng dây siêu dẫn trong hệ thống điện.
Vấn đề đợc nêu ra là việc thực hiện tối u hoá các chỉ tiêu kinh tế- kỹ
thuật của hệ thống có các trang thiết bị điện siêu dẫn có thể đạt đợc bằng
những cách sau: Nghiên cứu sử dụng trong các hệ thống điện không chỉ có các
cáp siêu dẫn mà còn có cả thiết bị siêu dẫn điện khác ( Các thiết bị đổi nối,
các máy biến áp...). Nghiên cứu các sơ đồ đấu nối có hiệu quả của các đờng
dây siêu dẫn trong hệ thống điện có sử dụng cách sắp xếp cơ bản (đồng trục)
của các dây dẫn và các đặc điểm làm việc của từng dạng, nghiên cứu các
đờng dây truyền tải siêu dẫn đa mạch, nghiên cứu việc truyền tải siêu dẫn
xoay chiều kết hợp với sự sử dụng các loại hình cáp khác nhau, nghiên cứu
dựa trên cơ sở truyền tải điện siêu dẫn của các hệ thống tích luỹ và phân phối
năng lợng.

1.3. Các đờng dây truyền tải điện lạnh
Các đờng dây truyền tải điện lạnh về mặt nguyên lí cũng giống nh các
đờng dây truyền tải điện siêu dẫn, có thể dùng cho cả dòng một chiều hoặc
xoay chiều. Tuy nhiên về cơ bản dựa vào việc nghiên cứu các đờng dây
truyền tải điện lạnh dòng xoay chiều. Việc cách điện và cách nhiệt của chúng
cũng giống nh các đờng dây siêu dẫn. Chất làm lạnh đợc sử dụng chủ yếu
là Nitơ dới dạng lỏng và hơi, Hydro lỏng và hơi...Các màn chắn nhiệt trung
gian thờng đợc lựa chọn phù hợp với từng loại.

Nguyễn Đức Minh- Líp Cao häc hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006


13
Luận văn thạc sỹ khoa học

Cấu trúc phần dẫn dòng có thể là 3 pha thông thờng hoặc 6 pha với các
dây dẫn dạng ống, mỗi pha đợc làm từ hai ống siêu dẫn đặt đồng tâm(Hình
1-2).
Việc lựa chọn vật liệu dẫn điện là quan trọng nhất, vật liệu đợc dùng có
thể là nhôm, đồng và bêrin (Be 3 Al2 (SiO 3 )6) có độ tinh khiết khác nhau. Các
chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật tối u của đờng dây truyền tải điện lạnh phụ thuộc
vào cấu trúc cáp, vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, loại chất làm lạnh, các
thông số kích thớc của chúng và các yếu tố khác.
a,

1
2
3

1
2
3

b,

4

d,

c,

1
2
3
4
5

5

1
2
3

e,

4

1
2
3
5

f,

6

Hình 1.2- Các phơng án cấu trúc cáp dẫn điện lạnh.
1- Dây dẫn; 2- Cách điện; 3- Chất làm lạnh; 4- Chân không;
5- Siêu cách điện; 6- Chất làm lạnh trung gian.

Các kết quả nghiên cứu tối u hoá thực hiện cho phơng án cấu trúc cáp
3 pha kiểu thông thờng đợc trình bày tóm tắt trên (Hình 1-2.a-d) không
giống với việc dùng vỏ bao lạnh (cách nhiệt chân không, siêu cách nhiệt, tổ
hợp cách nhiệt chân không và siêu cách nhiệt, cách nhiệt bằng hai lớp chân
không đợc tách thành từng lớp làm lạnh trung gian), cấu trúc đơn 3 pha

Nguyễn Đức Minh- Lớp Cao học hệ thống ®iÖn EVN 2004- 2006


14
Luận văn thạc sỹ khoa học

(Hình 1-2.d) trong đó cách nhiệt đợc thực hiện ở dạng siêu cách nhiệt, còn
cấu trúc đơn mạch kép 6 pha cũng ở dạng siêu cách nhiệt (Hình 1-2.e).
Tiêu chuẩn tối u hoá đợc thực hiện theo nguyên tắc cực tiểu hàm chi
phí qui dẫn đối với toàn bộ trong toàn bộ đờng dây dẫn lạnh. Phơng pháp
tối u hoá đầu tiên theo hàm mục tiêu chi phí qui dẫn sẽ dẫn đến đà định dẫn
đến nhiều phơng trình tiên nghiệm phi tuyến tính phức tạp, chính vì vậy đÃ
có các thuật toán riêng có thể thực hiện bằng chơng trình trên phù hợp
cho việc tính toán mọi loại cấu trúc của cáp.
Phân tích các kết quả tính toán tối u hoá vỏ bao cách nhiệt cho thấy: ở
cách nhiệt chân không đối với cáp Nitơ lỏng, bề dày lớp chân không trong
khoảng 1-1,4 cm, còn đối với cáp Hydro lỏng là 1,5- 2 cm. Trong trờng hợp
sử dụng siêu cách nhiệt thì độ dày tối u: Cáp Nitơ lỏng là 0,4- 0,6 cm; cáp
Hydro lỏng là 0,9- 1,3 cm. Theo khảo sát trị số độ dày tối u không phụ thuộc
công suất để tính toán cáp và điện áp định mức của nó.
Đánh giá công bằng các dạng cách nhiệt đà xét cho thấy siêu cách nhiệt
u việt hơn đối với cả cáp Nitơ lỏng và Hydro lỏng. Chi phí cho cáp dẫn điện
lạnh có vỏ bao cách nhiệt gồm hai lớp chân không với lớp chất làm lạnh trung

gian phân cách là cao hơn so với các cấu trúc đà đợc xem xét khác.
Nitơ lỏng và Hydro lỏng đợc sử dụng làm chất làm lạnh cho cáp dẫn
điện lạnh. Các kết quả có đợc đối với các cấu trúc cáp đà xét với điện áp định
mức khác nhau cho thấy cáp Nitơ lỏng có các chỉ tiêu kinh tế tốt hơn, đồng
thời chi phí cho cáp Hydro lỏng 330 và 500 kV trong vùng công suất kinh tế
có mức độ tăng chi phí so với cáp Nitơ lỏng là 17- 40%.
Phân tích sự phụ thuộc nhận đợc của các chi phí qui dẫn vào công suất
truyền tải cho phép xác định các vùng điện áp kinh tế danh định đối với các
cấu trúc đợc nghiên cứu. Đối với cấu trúc 3 pha của cáp, điện áp 330 kV u
việt và kinh tế hơn so với loại 220 kV ở các dải công suất 150- 180 MW, còn

Nguyễn Đức Minh- Lớp Cao học hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006


15
Luận văn thạc sỹ khoa học

cáp 500 kV chiếm u thế hơn loại 330 kV ở dải công suất 300- 330 MW. Đối
với cấu trúc mạch kép 6 pha, các giá trị công suất tơng tự, với các giá trị
công suất này điện áp danh định cận kề 220 và 330 kV, 330 vµ 500 kV vỊ
kinh tÕ lµ ngang nhau ở dải công suất khoảng 190- 550 MW cho mỗi trờng
hợp. Các cáp dẫn điện lạnh có điện áp danh định 10, 35, 110 kV kém kinh tế
hơn. Suất chi phí qui dẫn đối với chúng hầu nh lớn gấp 20, 6 và 2 lần so với
điện áp 220- 500 kV.
So s¸nh c¸c cÊu tróc 3 pha, 3 pha đồng trục và 6 pha mạch kép (hình 1-2)
cho thấy thế mạnh của cấu trúc 6 pha mạch kép, điều này đợc lý giải bằng sự
lấp đầy vùng làm lạnh tốt nhất, kết quả giá thành của lớp vỏ bao lạnh cho một
đơn vị công suất truyền dẫn giảm thấp. Chỉ tiêu kinh tế ở cấu trúc pha đồng
trục xấu hơn.
Để tìm phơng pháp hiệu quả nhất làm giảm chi phí, đối với đờng dây

dẫn điện lạnh cần tiến hành xác định ảnh hởng của các chỉ tiêu giá thành các
phần tử riêng rẽ về cấu trúc và trang thiết bị tới chi phí qui dẫn. Sự thay đổi
suất chi phí của cách nhiệt tới giá thành của đờng dây hầu nh không đáng
kể. ảnh hởng của suất chi phí cho chất làm lạnh tới chi phí cho cáp về thực
chất là lớn hơn.
Đối với các máy làm lạnh, các đặc tính quan trọng là hệ số hiệu quả làm
lạnh (h) và chi phí đơn vị (k đ ). Các tính toán cho thấy chi phí cho đờng dây
dẫn lạnh phụ thuộc vào h ít hơn nhiều so với k đ .
Theo quan điểm làm việc của đờng dây điện lạnh trong hệ thống, chỉ
tiêu quan trọng là mật độ kinh tế của dòng điện. Cơ sở lý thuyết của mật độ
kinh tế của dòng điện tơng ứng với giá thành truyền tải điện năng nhỏ nhất
đợc dùng cả cho các đờng dây truyền tải điện lạnh. Mật độ kinh tế của dòng
điện phụ thuộc vào những yếu tố sau: Mật độ vật liệu của dây dẫn (); suất chi
phí vật liệu của dây (c); điện trở suất (T)- điện trở suất này phụ thuộc vào

Nguyễn Đức Minh- Lớp Cao häc hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006


16
Luận văn thạc sỹ khoa học

nhiệt độ làm việc T; các hệ số khấu hao cho sửa chữa nhỏ và vận hành của
đờng dây ĐD và máy làm lạnh ML; suất chi phí cho một đơn vị công suất
đặt k đ (T); hệ số hiệu quả của hệ thống làm lạnh h(T), thời gian tổn thất công
suất lớn nhất (); suất chi phí cho 1 đơn vị tổn thất điện năng (); hệ số định
mức hiệu quả của chi phí vốn đầu t đm.
Để đánh giá định lợng các trị số của mật độ kinh tế của dòng điện trong
quá trình thay đổi từng giá trị riêng rẽ trong các giới hạn thực tế có thể có cho
phép lựa chọn đợc cấu trúc thông thờng của cáp 3 pha với sự bố trí các ống
dẫn hình trụ của tất cả các pha theo hình tam giác. Vật liệu sử dụng cho các

pha là nhôm và đồng nhiều loại mác khác nhau.
Bảng 1.1:

Giới hạn biến đổi kđ (T), h(T)
Nhiệt độ K

Thông số
77

20

5

k đ (T), USD/W.

1- 5

7- 12

50- 500

h(T), W/W

1- 5

8- 24

50- 600

Các trị số sau đây đợc dùng ®Ĩ tÝnh to¸n: γ Al = 2,7 G/cm 3; γ Cu = 8,96

G/cm3; α §D = 0,08; τ = 300 h; = 0,01 USD/kWh; đm = 0,12.
Đối với một loạt các trị số đa vào công thức tính mật độ kinh tế, hiện
nay các giá trị tính đợc không đảm bảo chuẩn xác. Vì vậy các giá trị k đ (T) và
h(T) đợc thay đổi trong các giới hạn nêu trong bảng 1.1, còn các giá trị khác
trong khoảng: τ = 1000- 8760 h; α §D = 0,072- 0,088; ML = 0,072- 0,088.
Kết quả tính toán xem trong bảng 1.2.
Công tác phân tích chung cho phép đa ra những kết quả sau:

Nguyễn Đức Minh- Lớp Cao học hệ thống ®iÖn EVN 2004- 2006


17
Luận văn thạc sỹ khoa học

Bảng 1.2:
Nhiệt độ
K

Mật độ kinh tế của dòng điện

Thông số biến đổi
h(T) khi: kđmin (T)
kđmax (T)

77

ky(T) khi: h min(T)
hmax (T)
τ(h)
h(T) khi: k ®min (T)

k®max (T)

20

ky(T) khi: h min(T)
hmax (T)
τ(h)
h(T) khi: k ®min (T)
k®max (T)

5

ky(T) khi: h min(T)
hmax (T)
(h)

Loại dây dẫn
A 995

A 999

AE

MO

M

1,4- 1,2

1,5- 1,1

1,2- 1,0

2,6- 2,1

2,4- 1,9

0,6- 0,5

0,7- 0,6

0,4- 0,3

1,2- 1,1

1,1

1,4- 0,8

1,5- 0,8

1,3- 0,7

2,6- 1,5

2,3- 1,6

1,1- 0,7

1,2- 0,7

1,1- 0,6

2,0- 1,5

2,0- 1,1

1,5- 1,1

1,8- 1,7

1,4- 1,1

2,9- 2,1

2,6- 1,9

3,0- 2,5

4,0- 3,5

1,2- 1,0

2,3- 2,1

1,9- 1,6

2,3- 2,1

3,1- 3,0

1,0- 0,9

2,0- 1,9

1,5- 1,3

3,0- 2,4

4,0- 3,3

1,2- 0,9

2,5- 1,9

1,8- 1,4

2,6- 2,2

3,6- 3,0

1,1- 0,8

2,1- 1,8

1,6- 1,3

3,1- 1,6

4,1- 3,7

1,3- 1,0

2,6- 2,1

1,8- 1,7

1,6- 1,0

4,7- 3,0

0,5- 0,3

1,0- 0,6

0,8- 0,4

0,6- 0,5

1,6- 1,5

0,2

0,2- 0,1

0,3- 0,2

1,6- 0,6

4,8- 1,6

0,5- 0,2

1,0- 0,3

0,8- 0,3

1,0- 0,5

3,1- 1,5

0,3- 0,2

0,6- 0,3

0,5- 0,3

1,5- 1,4

4,8- 3,9

0,4- 0,3

1,0- 0,8

0,6

§èi víi tất cả các mác nhôm và đồng đà xét, giá trị mật độ dòng kinh
tế là không lớn lắm. ở nhiệt độ 20 0 K trị số đó ở mức độ tơng ứng với cáp
dẫn điện bình thờng ở nhiệt ®é trong nhµ. ë nhiƯt ®é 77 vµ 5 0 K mật độ dòng

thấp hơn so với cáp thờng dùng và gần bằng mật độ dòng kinh tế của các
đờng dây trên không thông thờng với dây dẫn nhôm. Chính vì vậy việc xây
dựng các đờng dây dẫn điện lạnh đòi hỏi một khối lợng lớn vật liệu dẫn
điện.
Từ các thông số thay vào công thức tính mật độ dòng điện kinh tế, ảnh
hởng lớn nhất là suất chi phí cho một đơn vị công suất đặt của máy làm lạnh.
Thời gian tổn thất điện năng ảnh hởng nhỏ. Trên thùc tÕ khÊu hao cho hao

Ngun §øc Minh- Líp Cao häc hƯ thèng ®iƯn EVN 2004- 2006