Tính toán khả năng mang tải của đường dây trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn

vi

MC LC
LÝ LCH KHOA HC i
LIăCAεăĐOAN ii
LI CεăN iii
TÓM TT iv
ABSTRACT v
MC LC vi
CH VIT TT TRONG LUNăVĔN x
DANH SÁCH CÁC HÌNH xi
DANH SÁCH CÁC BNG xiv
Chngă1.ăTNG QUAN 16
1.1 Gii thiu vnăđ 16
1.2 Tng quan chung v lĩnhăvực nghiên cu. 17
1.2.1ăCácăphngăphápălỦăthuyt hin tiăđ đánhăgiáătrng thái nhit caăđng
dây trên không. 18
1.2.1.1 nhăhng caăđ võng vào gii hn nhit ca dây dn 20
1.2.1.2 nhăhng ca các thông số vt lý lên nhităđ ca dây dn 21
1.2.1.3ăCácăđiu tra thực nghim và thực hinăcácăphngăphápăsố choăđánhă
giá trng thái nhit ca dây dn. 23
1.2.3 Kt lun v cácăcôngătrìnhăđƣănghiênăcu 26
1. 3 Lý do chnăđ tài 27
1. 4 Mc tiêu nghiên cu caăđ tài 29

vii

1.5 Phm vi nghiên cuăvƠăđim mi caăđ tài 30
1.5.1 Phm vi nghiên cu caăđ tài 30
1.5.2ăĐim mi caăđ tài 30

1.6 Ni dung ca lunăvĕn 31
1.7ăụănghĩaăcaăđ tài 31
Chngă 2.ă PHNGă PHÁPă PHN T HU HN VÀ PHN MM
COMSOL MULTIPHYSICS 32
2.1 Gii thiu v phngăphápăPhn t hu hn 32
2.2ăCácăbcăcăbn trong th tc phân tích FEM 33
2.2.1 Ri rc hoá min kho sát 33
2.2.2 Lựa chnăhƠmăđaăthc 35
2.2.3 Thit lp h phngătrình 35
2.2.4 Gii h phngătrình 35
2.3 Bài toán 1D 35
2.4 Bài toán 2D 40
2.5ăδi thích nghi 2D 45
2.5.1ăδi Delaunay 45
2.5.2 Gii thut toăli Delaunay thích nghi 47
2.5.3ăuăđim caăli Delaunay thích nghi 49
2.6 Gii thiu phn mm COMSOL MULTIPHYSICS 52
Chngă3.ăTRNG NHIT VÀ KH NĔNG MANG TI CA DÂY DN
TRÊN KHÔNG 57
3.1ăPhngătrìnhătruyn nhit ca dây dn trên không 58
3.2 Kh nĕngămangăti ca dây dn trên không 62

viii

3.2.1 Nhit do hiu ng Joule q
j
63
3.2.2 Nhit sinh ra do hp th ca b mặt dây dn q
s
63

3.2.3 Tn tht nhit bc x q
r
65
3.2.4 Tn tht nhităđốiăluăq
c
65
3.2.4.1 Tn tht nhităđốiăluătự nhiên 67
3.2.4.2 Tn tht nhităđốiăluăcỡng bc 68
Chngă 4. TÍNH TOÁN TRNG NHIT VÀ KH NĔNGă MANGă TI
CAăĐNG DÂY TRÊN KHÔNG 70
4.1ăTínhătoánătrng nhit quanh dây dn bằng Comsol Multiphysics (FEM) 70
4.1.1ăTrng hp mt 71
4.1.2ăTrng hp hai 76
4.2 Kh nĕngămangăti ca dây dnătrênăkhôngădiătácăđng caăđiu kin môi
trngăvƠăđiu kin vt lý. 79
4.2.1 nhăhng ca tốcăđ gióăvƠăhng gió 83
4.2.2 nhăhng ca nhităđ môiătrng. 86
4.2.3 nhăhng ca h số bc x ł 88
4.3ăTrng nhit ca dây dnădi nhăhng caăđiu kinămôiătrng và dòng
ti. 90
4.4 Tính toán kh nĕngămangăti ca dây dnătrênăkhôngătheoăđiu kin khí hu
thực t  Vit Nam. 95
4.4.1 Kh nĕngămangăti ca dây dn trên không di nhăhng ca khí hu
min Bc. 96
4.4.2 Kh nĕngămangăti ca dây dnătrênăkhôngădi nhăhng ca khí hu
min Trung. 99

ix

4.4.3 Kh nĕngămangăti ca dây dnătrênăkhôngădi nhăhng ca khí hu

min Nam 101
4.4.4 Nhn xét v kh nĕngămangăti caăđngădơyătrênăkhôngădi nhăhng
bi khí hu ca các vùng min ca Vit Nam. 103
Chngă5.ăKT LUN, HN CH VÀăHNG PHÁT TRIN CAăĐ TÀI
105
5.1 Kt lun 105
5.2 Hn ch caăđ tài. 106
5.3ăHng phát trin caăđ tài. 107
5.4 Li kt 107
Tài liu tham kho 93



-10-

CH VIT TT TRONG LUNăVĔN

AAAC - All Aluminium Alloy Conductors
ACSR - Aluminium Conductor Steel Reinforced
CFD - Computational Fluid Dynamics
CIGRE - International Council on Large Electric Systems (Cons eil International
des Grands Reseaux Électriques)
DG - Distributed Generation
BEM- Boundary Element Method
FDM - Finite Difference Method
FEM - Finite Element Method
FVM - Finite Volume Method
HSM - Hybrid Sag Method
IEC - International Electrotechnical Commission
IEEE - The Institute of Electrica l and Electronics Engineers

OHL - Overhead Lines
NSM - Numerical Sag Method
QCXDVN ậ Quy Chun Xây Dựng Ca Vit Nam
SAW - Surface Acoustic Wave




-11-

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
Hình 1.1 Sự hình thƠnhăđ võng ca 1 khongăvt 5
Hình 1.2 So sánh gia NSM và HSM cho dây dn Drake viăđng kính ngoài
28.14 mm [16] 6
Hình 2.1 δuăđ gii ptvp bằng FEM 18
Hình 2.2 Các phn t căbn: a) 1D, b) 2D, c) 3D 19
Hình 2.3 Ri rc hoá min kho sát bi các phn t 1DălƠăđon thẳng 21
Hình 2.4ăăHƠmăắhình dáng”ăca phn t e 22
Hình 2.5 Li gii FEM và li gii gii tích ca Ví d 01 24
Hình 2.6 Phn t tam giácătrongăli 2D 25
Hình 2.7 Hàm hình dáng tiăđnh 1 ca phn t tam giác 25
Hình 2.8 Li gii FEM và li gii gii tích ca Ví d 02 28&29
Hình 2.9 Minh ho Delaunay và Locally Delaunay 31
Hình 2.10 δi tam giác Delaunay 32
Hình 2.11 Min kho sát ca bài toán Poisson 35
Hình 2.12 Ri rc hoá min kho sát bài toán Poisson 36
Hình 2.13 Li giiăphngătrìnhăPoisson 36
Hình 2.14 Giao din chính ca Comsol Multiphysics v 3.4 38

Hình 2.15 Ri rc hoá min kho sát bài toán Poisson trong Comsol 39


-12-

Hình 2.16 Mô phỏng bài toán Poisson trong Comsol Multyphisics 40
Hình 3.1 Khối vi phân trong phân tích sự dn nhit 43
Hình 4.1 Min không khí kho sát xung quanh dây dn 56
Hình 4.2: Ri rc hóa min kho sát bằng min con dây dn A1/Sxy bi
COMSOL 58
Hình 4.3: phân bố nhit xung quanh dây dn A1/Sxy bằng FEM 59
Hình 4.4ăĐ th nhităđ khi ctătheoăphngăx 60
Hình 4.5ăĐ th nhităđ khi ctătheoăphngăy 60
Hình 4.6: Ri rc hóa min kho sát bằng min con dây dn Drake 62
Hình 4.7: phân bố nhit xung quanh dây dn Drake bằng FEM 63
Hình 4.8ăĐ th nhităđ khi ct ngang b mặt dây Drake 63
Hình 4.9: Ri rc hóa min kho sát bằng min con dây dn A3-400 66
Hình 4.10: phân bố nhit xung quanh dây dn bằng FEM 67
Hình 4.11ăĐ th nhităđ khi ct ngang b mặt dây 67
Hình 4.12ăĐ th dòng tiăkhiăthayăđi tốcăđ gió 70
Hình 4.13ăĐ th dòng tiăkhiăthayăđiăhng gió 70
Hình 4.14ăĐ th dòng ti khi nhităđ môiătrng và tốcăđ gióăthayăđi 73
Hình 4.15ăĐ th dòng ti khi h số bc x thay đi 75
Hình 4.16 Ri rc hóa min khoăsátăchoătrng hp mt bi FEM 78
Hình 4.17: phân bố nhit xung quanh dây dnăchoătrng hp 1 78
Hình 4.18:ăĐ th nhităđ khi ct ngang b mặt dây dnăchoătrng hp 1 79


-13-

Hình 4.19: phân bố nhit xung quanh dây dn ACSR 240/32 bằng FEM 82
Hình 4.20ăĐ th nhităđ khi ct ngang min khoăsátătheoăphngăx 83
Hình 4.21 Kh nĕngămangăti ca dây dn ACSR 240/32 viăđiu kin khí hu min
Bc 84
Hình 4.22 Kh nĕngămangăti ca dây dn ACSR 240/32 viăđiu kin khí hu min
Trung 85
Hình 4.23 Kh nĕngămangăti ca dây dn ACSR 240/32 viăđiu kin khí hu min
Nam 88
Hình 4.24 Kh nĕngămangăti ca dây dn ACSR 240/32 viăđiu kin khí hu
min Bc , min Trung , min Nam và số liu theo thit k 89














-14-

DANH SÁCH CÁC BNG

BNG TRANG
Bng 2.1ăăăĐánhăgiáăsaiăsố li gii trong Ví d 01 24

Bng 2.2ăăĐánhăgiáăsaiăsố li gii trong Ví d 02 30
Bng 2.3ăăSoăsánhăliăDelaunay thngăvƠăthích nghi 37
Bng 2.4 SoăsánhăliăDelaunay thng,ăliăthích nghi và Comsol multiphysics . 41
Bng 4.1ăĐiu kin thi tit, nhităđ môiătrng và thông số dây dn. 65
Bng 4.2 H số đốiăluăvƠăngun nhit tốiăđaăca dây dn khi tốcăđ gióăthayăđi . 68
Bng 4.3 H số đốiăluăvƠăngun nhit tốiăđaăca dây dnăkhiăhng gió thayăđi 68
Bng 4.4 Biu din kt qu đc tính bằng FEM khi tốcăđ gióăthayăđi 69
Bng 4.5 Biu din kt qu đc tính bằngăFEεăkhiăhngăgióăthayăđi 69
Bng 4.6 H số đốiăluăvƠăngun nhit q
j
khiăthayăđi nhităđ môiătrng 71
Bng 4.7 Kt qu ca nhităđ dây dn và dòng ti tính toán bằng FEM và IEEE . 72
Bng 4.8 H số đốiăluăh,ăngun nhit q
j
và ngun nhit q
s
khiăthayăđi h số bc
x 74
Bng 4.9 Kt qu ca nhităđ dây dn và dòng ti tính toán bằngăFEεăkhiăthayăđi
h số bc x 74
Bng 4.10 Cácătrng hp xem xét 76
Bng 4.11 H số đốiălu,ăngun nhit q
j
và ngun nhit q
s
choăcácătrng hp 77
Bng 4.12 Nhităđ dây dnăchoăcácătrng hp 80


-15-

Bng 4.13 Nhiêtăđ môiătrng, tốcăđ gió,ăđ caoăvƠăgócăphngăv ca mặt tri
theo 12 tháng ca tnhăNamăĐnh 81
Bng 4.14 Các thông số đ mô phỏng bằng Comsol cho khí hu min bc 82
Bng 4. 15 Nhităđ dây dn và kh nĕngămangăti ca dây dn thính theo FEM và
IEEE theo khí hu thực t min Bc 83
Bng 4.16 Nhiêtăđ môiătrng, tốcăđ gió,ăđ caoăvƠăgócăphngăv ca mặt tri
theo 12 tháng ca thành phố ĐƠăNẵng 85
Bng 4.17 Các thông số đ mô phỏng bằng Comsol cho khí hu min Trung 85
Bng 4. 18 Nhităđ dây dn và kh nĕngămangăti ca dây dn thính theo FEM và
IEEE theo khí hu thực t min Trung 85
Bng 4.19 Nhiêtăđ môiătrng, tốcăđ gió,ăđ caoăvƠăgócăphngăv ca mặt tri
theo 12 tháng ca tnh CnăTh 87
Bng 4.20 Các thông số đ mô phỏng bằng Comsol cho khí hu min Nam 87
Bng 4. 21 Nhităđ dây dn và kh nĕngămangăti ca dây dn thính theo FEM và
IEEE theo khí hu thực t min Nam 87








-16-

Chngă1
TNG QUAN

1.1 Gii thiu vnăđ

Là mt phn ca hotăđng rng ri đ gim khí thi CO
2
, mt sự phát trin
nhanhăchóngăcácănhƠămáyăđin bằng cách s dng công ngh nhiên liu mi hiu
qu hn vƠănĕngălng tái to nhălƠăgió, sinh khối, nĕngălng mặt triầ hin
đangădin ra ti nhiuănc trên th giiătrongăđóăcóăVit Nam.
Trên th gii hin nay, hu ht các công ngh phátăđin miăđc hòa vào
mngăli phân phốiăđinăvƠăđiu này dnăđn mt sự giaătĕngăđángăk công sut
truyn ti. Nâng cp và xây dựng mi mt đngădơyăthng là tốn kém cho các
nhà khai thác mng. Doăđó,ămt gii pháp cn thit là có th vnăhƠnhăđng dây
truyn ti và phân phối  dòngăcaoăhnăti nhităđ cao là mt bin pháp có th cho
kt qu tốiău. Thay vì thit k mt công sut ln hnăthìăchúng ta có th đtăđc
bằng cách s dng các ngunănĕngălng hin ti vào đúngăthiăđimăvƠăđúngăniă
trong h thống. Mt sự thn trng cn thit phi cân bằng h thống vn hành gn
vi gii hn ca nó và vi mtălng công sut dự tr tc thi.ăDoăđó, khi vn hành
gn vi gii hnăđ tin cy ca h thống s cho phép gimăđc chi phí đáp ng nhu
cu ti ca khách hàng. Vìălíădoăđó,ămt sự hiu bit v phân bố nhit bên trong dây
dn và tốcăđ gió mà tiăđóăcácăbinăđi nhit s cho phép qun lý hiu qu mng
liăđin.
Lch s đôngălực hc quan trng nht cho các tin ích đƣăđc s dngăđ
chng minh các công ngh đ đápăng mt nhu cuăc tính, gi đnhătrng hp
làm vic xu nht cho ph ti ln nht, các kt qu đcăđánhăgiáălƠăthn trng. Do
đó,ătínhăhp l ca các tiêu chun đc dựa trên gi đnhănhă vy là mtăđ tài
nghiên cu cho nhiu nhà nghiên cu [6],[7],[8].


-17-

Strbac [8] cho thy rằng sự phát trin ca các h thốngăđinătrongătngălaiă
đòiăhỏi phi có nhngăthayăđi lnăđối vi trit lý thit k tng th. Cu trúc ca

truyn tiăđin và mngăli phân phối hinănayăđc thit k đặc bit phù hp cho
truyn ti và phân phối mtălng lnănĕngă lngăvƠăđm boăđ tin cy ca h
thốngăđin.ăTácăđng ca sự phát trin ca máy phát phân phối (DG) vào mngăli
phân phốiăđòiăhỏi phi có nhngăthayăđiăđángăk trong sự phát trin ca h thống
đinăđ tích hpăđyăđ DG và chia sẻ trách nhim trong vic cung cp các dch v
hỗ tr h thống (ví d nhăph ti, tn số vƠăđinăápăquyăđnh).
Các nhà khai thác mng phân phối phiăđối mặt mt thách thcăđóălƠăsự gia
tĕngăca ti tiêu th, các nhà máy phân phốiăđinăcũngă phátătrin và vnăđ môi
trngăđối lpăđn vic xây dựngăcăs h tng mi. Vì vy, nó tr nên rt quan
trngăđ cố gngătĕngăkh nĕngăs dng các h thốngăđin hin có mt cách hiu
qu, an toàn và tit kim chi phí.
1.2 Tng quan chung v lĩnhăvực nghiên cứu.
Trong đaăsố cácătrng hp, các thành phn mngăđin hotăđng rt phc
tpăđiu kin năđnh hay không năđnh, gây ra sự khóăkhĕnăkhiăs dng truyn
nhităđnăginătngăquanăthuăđcăchoăcácătrng hpăđnăginăđ đánhăgiáătrng
thái nhit các thành phn.
Nh đƣă gii thiu, các công ngh phátă đin miăđc hòa vào mngă li
phân phốiăđinăvƠăđiu này dnăđn mt sự giaătĕngăđángăk công sut truyn ti.
Nâng cp và xây dựng mi mtăđngădơyăthng là tốn kém cho các nhà khai thác
mng. Doăđó,ămt bin pháp cn thit là có th vnăhƠnhăđng dây truyn ti và
phân phối  dòngăcaoăhnăti nhităđ cao là mt bin pháp có th cho kt qu tối
u. Đ chính xác caăcácăphngăphápădự đoánătrng thái nhit ca dây dn là rt
quan trng,ăđặc bitălƠătrongăcácătrng hp khi mngăđcăkhaiăthácătrongăđiu
kin ti cao. Cácă phngă phápăgiámă sátă dòngă đină đòiăhỏi sự hin din ca con
ngi trong vùng lân cn caăđng dây, cùng viăcácăphngătinăcăs trong quá
trình thực hinăđoăđt.


-18-

Các kỹ thutăxácăđnh ch yu dựa trênăcácăphépăđoăvtălỦănhălƠ:ăphngă
pháp phát hin bằngăsóngăsiêuăơm,ăđoălng sự không thống nhtădòngăđin xung h
quang, bằng cách s dngăcácămáyădòăphóngăđin từng phn, kim tra hng ngoi
caăđng dây tiăđinătrênăkhông,ăxácăđnh nhiu vô tuyn, kimătraăđng dây
đinăkhiăkhôngăcóănĕngălng mặt tri,ăgiámăsátădòngăđin h quangăvƠoăđng dây
đin cao th, ng dng cáp quang cho vic kimătraăđng dây truyn ti,ăđoănhiu
ơmăthanhầ[9]. Báo cáo ca Bernauer [10] cho rằng các công ngh cm bin sóng
âm b mặt (SAW) có th đc s dng thành công cho vic theo dõi liên tc nhit
đ ca dây dnăđng dây truyn ti. Các yu tố then chốt ca công ngh nƠyăđangă
thực hin liên kt vô tuyn gia các cm binăvƠăcácăđnăv đoălng. Mặc dù thực
t là tt c các kỹ thutăgiámăsátăđƣăphátătrinănhanhăchóng,ănhăDouglassăđ cp
trong [11] quang hc, siêu âm, radar và laser dựaă trênăphngăphápăđoăđ võng
nhngăvnăchaătin trinăđ vn hành s dng.ăPhngăphápăđánhăgiá,ăthi gian
thực dựaătrênăcácăphépăđo lựcăcĕngăhayăđ võng, ch lƠăcăs cung cp cho vic dự
đoánătrng thái nhit ca các dây dn.
1.2.1ă Cácă phngă phápă lỦă thuyt hin tiă đ đánhă giáă trng thái nhit ca
đng dây trên không.
Có mt thực t rằng, mt số phngăphápălỦăthuyt hin ti s dng trong
công nghipăđ đánhăgiáătrng thái nhit ca các dây dnălƠăkhôngăđ chính xác và
còn nhiu hn ch. Vì th mà cung cpăcácădăbáoăbo th, thn trng. Các khuyn
ngh, đánhăgiáăcngăthayăđi từ tinăíchăđn tin ích. Tuy vy,ăcácăđánhăgiáănhit ca
dây dnăđngădơyătrênăkhôngăthngăđc tính toán bằng cách s dngăphngă
pháp IEEE và CIGRE , IEC [5], [12],[13],[14],[20],[21].ă Cácăphngăphápăđc
dựa trên vic gii quytăphngătrìnhăbằngănĕngălng vit cho các dây dn. Các
mô hình toánăđc s dngăđ đánhăgiá trng thái nhit ca các dây dnănhăvy
cònăđc gi là các mô hình tham số - gp. Th tcătínhătoánăđc s dng trong
phngăphápăIEEE,ăphngăphápăIEC vƠăphngăphápăCIGREăcóăvƠiăsự khác bit.
Tuyănhiên,ăcácăphngăphápălun chung là rt giống nhau và các tính toán dựa vào
nhităđ môiătrng, bc x mặt tri hoàn toàn và hiu qu ca vn tốc gió. Các giá

-19-

tr trênăthayăđi trong các tiêu chun khác nhau. Ví d - Các khuyn cáo kỹ thut
ca IEC 61597 [14] s dng giá tr tốcăđ gió là 1m/săchoătínhătoánăcácăđnh mc.
Các kho sát ca IEEE và CIGRE cho thy mt số tinăíchăđƣătĕngădnăđnh mc
đng dây bằng cách ni lỏng mt số gi đnhăđánhăgiá.ăTi mt số các dòngăđin
gi đnh, vn tốc gió cỡng bc là 0,91m/s hoặcăcaoăhn [11].
Douglassăcũngănhn mnh trong [11] rằng nó là rt quan trngăđ điăvƠoăxemă
xét thực t đng dây mang ti rt cao, nhităđ lõi ca mt dây dn có th caoăhnă
10-15 ° C nhităđ b mặt caănóăvƠădoăđóăđ tính toán võng hiu qu nên s dng
nhităđ trung bình ca mặt ct ngang thay vì nhităđ b mặt.
Trong [15] Schmidt cho thy c hai tiêu chun, c th lƠăphngăpháp IEEE
và CIGRE, dựaătrênăcácăphngătrìnhătruyn nhit cùng s dngăphngăphápătip
cnăkhácănhauăđ tínhătoánăđánhăgiáănhit. Trong khi, tiêu chun IEEE bỏ qua tn
tht lõi từ tính,ăthìăphngăphápăCIGREăbaoăgm tn tht lõi từ tính và hiu ng b
mặtătrongăphngătrình.ă
Sự khác bit chính giaăphngăphápăIEEEăvƠăphngăphápăCIGREălƠăIEEEă
dựa trên vic s dng các d liu dng Bng đ xácăđnhăđiu kin cân bằngănĕngă
lngăkhácănhauătrongăphngătrình,ătrongăkhiăCIGREăs dngăphngătrìnhădng
kínăđ tính toán các đốiătng tngătự.ăPhngăphápăIEEEăb hn ch trong ng
dngădoăcácătrng hpămôiătrng xem xét hn ch.ăĐối vi thit k đng dây và
cácăđiu kin hotăđng thực t nht, c haiăphngăphápăchoăkt qu tngătự.Tuy
nhiên,ăđối vi mt số ng dngăđin Hình,ănhăvn tốc gió cao và tính toán tốcăđ
gió song song, có sự thayăđiăđángăk trongăcácăđánhăgiáădự đoánăthìăcácăkỹ săthực
hin mt quytăđnhăthayăđiănƠoăđóă haiăphngăphápătrên.

-20-

1.2.1.1 nhăhởng caăđ võng vào gii hn nhit ca dây dn
Đ võng ca dây dn ph thuc vào scăcĕngăvƠănóăđc hình thành do nhit
gin n các thành phn do sự tĕngălênăca nhităđ, Hình 1.1.

Hình 1.1 Sự hình thành độ võng của 1 khoảng vượt
Đcăđ cp trong [16], mtăphngăphápătínhătoánăđ võngăchoăđng dây
trênăkhôngăđc phát trin phngăphápănƠyăđc giălƠăphngăphápăđ võng lai
(HSε),ăđc dựa trên saăđiăphngăphápăđ võng số (NSM) kt hp phân phối
tiăđ ha xut phát từ cácăđng cong ng sut - bin dng ca dây dn trên không.
HSM cung cpăđngăcongăđ võng ậ nhităđ song tuyn theo dõi sát các d liu
th nghim hiu sut võng. Theo đó, đ võng có th đcăđánhăgiáăbằng cách s
dng sự tngăquanăđnăgin trong công thc (1.1), bao gm:ăđ võng (D), khong
chiu dài (S) và chiu dài vt lý ca dây dn (L).
8
).(.3 SLS
D


(1.1)
Hình 1.2 cho thyăđ võngătĕngătheoănhităđ cho khong chiu dài 152,4 m
và 274,3 m.


-21-


Hình 1.2 So sánh giữa NSM và HSM cho dây dẫn Drake với đường kính

ngoài 28.14 mm [16]
Khi dây dn ACSR vn hành  nhităđ vt mc xp x 93
o
C thì nhôm bt
đu bin dng. Sự bin dng này làm già hóa các dây dn và dnăđn dây dn b phá
v diăcácă điu kinăgióăvƠăbĕng tuyt.ăĐ ngĕnăchặnăđiu này xy ra, dây dn
ACSRăthngăđc gii hn  nhităđ 70
o
C đn 80
o
C [16], [26], [17].
1.2.1.2 nhăhởng ca các thông số vt lý lên nhităđ ca dây dn
Đc đ cp trong [18] mt phân tích nh hng ca các thông số vt lý vào
nhităđ đnh mc ca ACSR, dựaătrênăcácăphngătrìnhănhit từ tiêu chun IEEE
738 ậ 2006, và tho lun làm th nào thông tin này có th đc s dng bi các
nhân viên ngành công nghip phc v liăíchăđ cătínhătácăđng các yu tố khác
nhau.
Kh nĕngămangădòngăcaăđng dây trên không chu nhăhng rt ln bi
sự làm mát ca dây dnădoăđốiăluăcỡng bc. Nhng tn tht do bc x và do bốc
hiăthpăhnăđángăk ti nhităđ môiătrng xung quanh. Mt phiên bn m rng
caăphngătrìnhăcơnăbằngănĕngălngăđ xácăđnh mốiătngăquanăgiaădòngăđin


-22-

ca dây dn và nhităđ ca nó cho trng thái năđnhăđƣăđc trình bày bi Morgan
[19]. Trong bài báo này li ích nhită(trênăđnăv chiuădƠiătrênăđnăv thi gian) do
Joule, sc từ,ănĕngălng mặt tri và nhităionăhóaă(corona)ăđc cân bằng bi tn
tht nhitădoăđốiălu,ăbc x và bốcăhiănc. NhităJouleăđcătínhătoánănhămt
hàm caă dòngă đin, nhităđ môiă trngăvƠăđin tr ca dây dn ph thuc vào

nhităđ ca dây dn.ăNĕngălng nhit mặt tri ph thucăvƠoăđng kính ca dây
dn và v trí ca dây dn so viăgócăphngăv mặt tri, h số hp th ca b mặt
dây dn,ăcngăđ ca tia nng,ăđ cao mặt tri và các phn x ca dây dn. Không
giốngănhăcácăphngăphápătip cn IEEE khi nhităđ trong dây dnăđc gi đnh
là thống nht, phân bố nhităđ xuyênătơmăđ xut trong [19]ăđc cho biăphngă
trình (1.2).

)ln
2
1
(
2
2
1
2
2
2
1
2
2
D
D
DD
D
P
TT
t
SC




(1.2)
 đơyăT
C
là nhităđ ca lõi thép (
o
C); T
S
là nhităđ ca b mặt dây dn (
o
C);
P
t
là tng ngun nhit vào (W/m); D
1
và D
2
lƠăđng kính bên ngoài và bên trong
tngă ng. Trong [20],ă Blackăcũngă điu tra kh nĕngă mangăti ca dây dn ph
thuc vào radient nhităđ bên trong dây dnănhăth nào bằng các mô hình đẳng
nhităvƠăkhôngăđẳng nhit. Sự so sánh cho thy rằng mô hình đẳng nhit dự đoánă
đánhăgiáăkh nĕngămangăti ca dây dn là đyăđ chính xác. Sự khác bit nhităđ
tốiăđaăthuăđc từ các mô hình trên cho dây dn có nhităđ nĕmătrongăkhong 10
o
C
đn 100
o
C.
Morgan [21]ăđƣătho lun chi tit v sự nhăhngănhăth nào ca các yu tố
khácănhauăđn nhităđnh mc cho mt dây dn ACSR 596 mm

2
. Mt số các yu tố
c th lƠ:ăhngăgió,ăcngăđ hn lon ca gió và nhităđ không khí quan trng
hnăcácă yu tố khácă nhălƠ:ăđ cao ca mặt triăvƠăđ nghiêng ca dây dn. Nó
cũngăch ra rằngătrongătrng hp khi h số hp th ca dây dn bằng vi h số
phn x ca dây dnăkhiăđóătácăđng ca bc x mặt tri lên sự đánhăgiáănhit là rt
nhỏ.


-23-

1.2.1.3 Cácăđiu tra thực nghim và thực hinăcácăphngăphápăsố choăđánhă
giá trng thái nhit ca dây dn.
Tn tht nhitădoăđốiăluăđc tính toán bằng cách s dng các d liu dng
Bng dựa trên số Nusselt, Prandtl và số Grashof. Số Nusseltă(Nu)ă đc s dng
trong phân tích truyn nhit rtăthng xuyên. Số Nusseltăđc gi là mt nhóm các
thông số, có cha h số truyn nhit, chiuăhngăđặcătrngătuynătínhăvƠăđ dn
nhit ca cht lỏng. Nó có th đc th hinănhăcácăsn phm ca hai nhóm khác
các thông số, c th là số Prandtl (Pr) và số Reynolds (Re), hay nói cách khác: Nu
= f (Pr, Re). Số Prandtlăthng là liên tc và có th đc tìm thy trong Bng thuc
tính cùng vi các thuc tính khác. Giá tr tiêu biu cho Pr ca không khí và mt số
các khí khác là 0,7-0,8. Số Reynoldsăđc s dngăđ xácăđnh mtăđặc tính ca
dòng chy, chẳng hnănhălp hoặc hỗn lon. Dòng chyăđốiăluătự nhiênăđc mô
t bằng số Grashof.
Trong [22] kt qu ca các cucăđiu tra th nghim v nhăhng ca gió
đn vic làm mát bằngăđốiăluăcỡng bc vào trng thái nhit ca dây dn ACSR
410ăđối vi vn tốc gió trong khong từ 0,2 m/s đn 4 m/s viădòngăđinăă1340Aăđƣă
đc mô t.
Tn nhit xung quanh dây dn:
NuTTP

aSfC
).( 

(1.3)
Mối quan h gia Nu và số Re dng tng quát có th đcătrìnhăbƠyănhăsau:

n
BNu Re
(1.4)
S dng các kt qu thực nghim, các tác gi ci tinăphngătrìnhăs dng
cho các tính toán trng thái nhit ca dây dn.ăĐ nhám b mặt (H / D) cho mt si
dây dnăđcăđnhănghĩaălƠătỷ l đ nhám và bằng:
)).(2/(/ dDdDH 

(1.5)


-24-

TrongăđóăH là chiu cao (m); d lƠăđng kính ca mt si dây (m) và D là
đng kính ngoài ca dây dnă(m).ăNhăvy,ătrongătrng hp caăđốiăluăcỡng
bc vi tốcăđ gió nhỏ hnă1ămă/ăsăcác tác gi nhn thy [18]:
343,0
Re566,1 Nu

choăđ nhám b mặt nhỏ hnă0,1 (1.6)
362,0
Re325,1 Nu

choăđ nhám b mặt lnăhnă0,1 (1.7)

Mt nghiên cu v trng thái nhit ca mt số dây dn Hình tr b mặt tip
xúcănhámăxétăđn hinătngăđốiăluăkhôngăkhíătự nhiênăvƠăcỡng bcăđc thực
hin bi Morgan. Áp dngă choă đng dây trên không ca các mng truyn dn
đcăđặtătrongăđiu kinăkhôngăkhíătĩnhăvƠăhng gió nhtăđnh. Kt qu cho thy
tốcăđ truyn nhit trong không khí vnălƠănhănhauăchoăc b mặt mn và nhám,
2x10
2
≤ă(Gr.Pr)ă≤ă4x10
5
.ăTrongătrng hp truyn nhităđốiăluăcỡng bc không
đángăk thayăđi bằng cách làm nhám b mặt 0,042ă≤ă(D/H) ≤ă0,366

cung cp số
Reynoldsăkhôngăvt quá mt giá tr quan trng.
Trong [23] Black nghiên cu truyn nhit từ mt dây dn Drake ACSR s
dng các mô hình toán hc, ngoài ra hàng lot các tác gi cũngănghiênăcu truyn
nhit vi cácăphngătrìnhătrongăđóăđƣăđc gii quyt bằng cách s dngăăphngă
pháp sai phân hu hn (FDM) hay th tích hu hn (FVM). Trong gii pháp gi
đnhăđcăđaăraălƠăgradientănhităđ trong dây dnălƠăkhôngăđi. Kt qu số thu
đcăđƣăđc xác nhnăđối vi các d liu thực nghim từ mt số các bài kim tra
trong nhà và ngoài tri.
srCC
qqqTRI  )(
2
(1.8)
Trongăđóăq
c
là tn tht nhităđốiăluă(W/m);ăq
r
là tn tht nhit bc x (W/m); q

s

ngun nhit thu vào từ ánh nng mặt tri (W/m); I lƠădòngăđin ca dây dn (A);
R(T
c
) lƠăđin tr AC ti nhităđ T
c
ca dây dnă(Ω/m).

).(
44
asBr
TTDq


(1.9)


-25-

Trongăđó:
D:ălƠăđng kính ngoài ca dây dn [m]
ł: Là h số phát x
Ł
B
: Là hằng số Stefan ậ Boltzmann [5,67x10
-8
W.m
-2
.K

-4
]
T
s
: Là nhităđ ca b mặt dây dn [K]
T
a
: là nhităđ caămôiătrng [K]

DQq
solss



(1.10)
Trongăđóăα
s
là h số hp th ca b mặt dây dn; Q
sol
lƠăthôngălng mặt tri
trênăđnăv din tích (W/m
2
); D lƠăđng kính ngoài ca dây dn (m).
Choătrng hpăđốiăluătự nhiên:

25,0
Pr) (53,0 GrNu 

(1.11)
TrongăđóăPră=ă0,71

38
) (10.896,0 DTTGr
as

(1.12)
Từ
kDhNu /.
(1.13)
Chúng ta có:

25,0
.29,1








D
TT
h
as

(1.14)
Vì vy truyn nhităđốiăluăcóăth đc xácăđnh nhăsau:

-26-

25,175,0
).(.29,1
asc
TTDq


(1.15)
Nuămôiătrng có gió thì:

2
Re).(ln0355,0Reln315,07,0
10

Nu
(1.16)
Đ gii quytăcácăphngă trìnhăcơnă bằng nhit áp dngă phngăphápă lặp,
trongăđóăgiáătr banăđu ca nhităđ dây dnăđƣăđc gi đnhăvƠădoăđóăgiáătr hin
tiăđcăxácăđnh và cuối cùng T
s
đƣăđcăđánhăgiá.ăCácătínhătoánătinăhƠnhăchoăđn
khiăthayăđi nhităđ ítăhnă0,1ăđ. Cácăbc thi gian caă7ăgiơyăđc s dngăđ
gii quytăcácăphngătrìnhăquáăđ. Ti mỗiăbc mt giá tr mi caăđin tr và
cũngăcóăgiáătr mi ca các tn thtăđối luăvƠăbc x đƣăđc s dng.
Trong [24] Ilgevicius et al. S dngăcácăphngăphápăth tích hu hnăđ
nghiên cu sự truyn nhităbênătrongădơyăđinăcáchăđin, mô hình hóa các dây là
mt khối vt th vi khốiălng phân phối các ngun nhit. Các kt qu ca nhit
đ đƣăđc trình bày trong các Hình thc biuăđ,ămƠăsauăđóăđƣăđc xp x bằng
cách s dngăphngătrìnhăphơnătíchăvi mt tp hp các h số ch áp dng cho dây

c th.
1.2.3 Kt lun v cácăcôngătrìnhăđƣănghiênăcứu
Sự phát trin caă cácă nhƠă máyăđină nĕngă lng tái to có th dnă đn số
trng hp tĕngăđángăk dòngăđinăđặt trên mngăli truyn ti và phân phối. Các
tiêu chun công nghip hinăcóăthng bo th trong vic dự đoánăkh nĕngămangă
ti ca các dây dn trên không và bằng cách s dngăphơnătíchăchínhăxácăhnăvƠădự
đoánăcácăcôngăc có th cung cp cho các nhà khai thác mng vi các thông tin khai
thác trităđ phm vi kh nĕngămangădòngăđin caăđng dây trên không mt cách
an toàn.
Tài liu nghiên cu thực hin trên các dây dn trên không ch ra rằng rt
nhiu các mô hình tham số gpăđƣăđc phát trin,ănhngăcácămôăhình hin có này
cũng thng xuyên cho kt qu mâu thun. [25]


-27-

Phân tích ca các nghiên cuăđc công bố cũngăchoăthy rằng mt số lng
rt hn ch ca nghiên cuăđƣăđc dành riêng cho vic s dngăcácăphngăphápă
truyn nhităđ dự đoánătrng thái nhit ca dây trên không, mặc dù nó có th s
dngăphngăphápătngătự đƣăđc s dngăđ phân tích các quá trình truyn nhit
trong Hình hcătraoăđi nhit phc tp.
Cácăphngăphápătínhătoánătrng thái nhit ch yu là dây dnăđnăđc mô
t trong các tác phm xut bnăthngăđc dựa trên các mô hình tham số gp. Loi
mô hình này s dng mốiătngăquanăbánăthực nghimăkhácănhauăđ xácăđnh tn
tht nhitădoăđốiăluătự nhiên vƠăđốiăluăcỡng bc.
Choăđn nay ch có duy nht mt bài nghiên cuăđƣăđc xut bnătrongăđóă
vic áp dng phngăphápăkỹ thut kim soát th tíchăđƣăđc s dngăđ phân tích
nhit ca mtădơyăđinăcáchăđinăđặt trong không khí [24].ăCácătrng hpăđc coi
là rtăđnăginăvƠăphngătrìnhăboătoƠnănĕngălng ch đc gii quyt, vi dòng
chy caăkhôngăkhíăxungăquanhăcácădơyăkhôngăđcăđaăvƠoăphơnătích.ăng dng

kỹ thutăCFDăđ phân tích truyn nhit và dòng chyătrongăcácălĩnhăvực có cha các
đng dây trên không và cáp ngmăcũngăđc xem là mt nghiên cuăđcăđánhă
giáăcaoătrongălĩnhăvực này.
1. 3 Lý do chnăđ tài
Xut phát từ các vnăđ trên, vic vn hành mt h thốngă đng dây trên
khôngăđm boăđ tin cy cao, an toàn và năđnh luôn là sự mongăđiăvƠăuătiênă
hƠngăđu caăcácăCôngătyăĐin lực. Xét v khía cnh kỹ thut, vicătínhătoánătrng
nhită(ThermalăField)ăcũngănhă kh nĕngă mangăti cho phép caă đng dây trên
khôngă(δinesăAmpacity)ăđ đm bo cho h thống vn hành không b quá ti do quá
nhit là nhim v quan trng ca các kỹ sătrongăcôngătácăthit k và vn hành h
thốngăđngădơyătrênăkhôngăđó.
Nhăchúng ta đƣăbit,ăđ phân tích mt h thống kỹ thut thì mô hình toán
hcătngăngăđc xây dựngăđ din t h thống, mô t hành vi nhit caăđng


-28-

dơyătrênăkhôngăcũngăkhôngălƠămt ngoi l. Trong quá trình xây dựng mô hình toán
đó,ămt số gi thităđcăđặtăraăđ đnăgin hóa th tc tính toán. Nhng mô hình
toánănƠyăthôngăthng cha nhngă phngătrìnhă viăphơnă cùngăviă cácăđiu kin
ràng buc ca chúng. Rtăkhóăđ có th đtăđc li gii gii tích chính xác mà có
th mô t đyăđ hành vi ca h thống, nhtălƠăđối vi các h thốngăđc mô t bằng
nhngăphngătrìnhăviăphơnăphc tp. Tuy nhiên, cùng vi kh nĕngătínhătoánăca
các h thốngămáyătínhăngƠyăcƠngăcaoăthìăcácăphngăphápătoánăsố cũngăđc phát
trinăđ tìm các li gii xp x caăcácăphngătrìnhăviăphơn nƠyănh:ăphngăphápă
sai phân hu hn (FDM ậ FiniteăDifferenceăεethods),ăphngăphápăphn t biên
(BEM ậ BoundaryăElementăεethods),ăphngăphápăth tích hu hn (FVM ậ Finite
Volumeăεethods),ăphngăphápăphn t hu hn (FEM ậ Finite Element Methods),
phngăphápăli tự do (MFree ậ εeshăFreeăεethods)ầvƠăngƠyăcƠngăth hinăđóă
là nhng công c tính toán hinăđi, mnh m nh có kh nĕngăgii quyt các vn

đ mƠăđối viăphngăphápăgii tích c đin s rt khó hoặc không th tìmăđc li
gii.
Đ tính toán kh nĕngămangăti caădơyătrênăkhông,ăcóăhaiăphngăphápăđƣă
đc các kỹ săcũngănhăcácănhƠănghiênăcu s dng:ăPhngăphápăgii tích và
phngă phápăsố hină điă nhă đƣănêuătrên.ă NgƠyă nay,ăphngă phápă gii tích vn
đc s dng và các hip hi tiêu chun quốc t ln nht trên th gii là IEEE,
CIGREăvƠăIECăđƣăchp nhnăphngăphápăgiiătíchălƠăphngăphápăcăs ca h.
Ngoài ra, kh nĕngămangăti caăđngădơyătrênăkhôngăđcătínhătoánătheoăphngă
pháp số hinăđi ch yu dựaătrênăFVε,ăFDεầă
Thôngăthng, khi dây mang ti, s có mt phnănĕngălng trong dây dn
tiêuăhaoădi dng nhit. Ngun nhit này s truyn từ b mặt ca dây dn ra môi
trng không khí xung quanh biăđốiăluăvƠăbc x. Ngoài ra, dây dn trên không
còn chu sự đốt nóng ca mặt tri. Nu nhăđiu kinămôiătrng không khí xung
quanhăthayăđi, nhitălng tỏa ra từ b mặtădơyăcũngăs thayăđi. Nuăcácăđiu kin
thi tit là xu,ăđiu này có th dnăđn hu qu là làm cho nhităđ caădơyătĕngă


-29-

cao, làm gim kh nĕngămangădòng,ăthm chí là gây sự cố ctăđin do quá nhit.
Nuăđiu kin thi tit là tốt nhităđ ca dây dn s gimăđi,ălƠmătĕngăkh nĕngă
mang dòng ca dây dn. Do vy, kh nĕngă mangă dòngă ca dây trên không ph
thuc phn lnăvƠoăđặc tính nhit caămôiătrng không xung quanh dây dn và
nhităđ vn hành cho phép ca dây dn. Chính vì l đó,ătínhătoánăphơnăbố trng
nhit gây ra bi tn tht trong dây dn và tn tht nhitădoăđiu kinămôiătrng
(điu này liên quan mt thităđn kh nĕngăti ca dây dnătrênăkhông)ălƠăđiu ht
sc cn thit.
1. 4 Mc tiêu nghiên cứu caăđ tài
Các nghiên cuăđc mô t trong lună vĕnănƠyă nhằm mcă đíchă cungă cp
nhng hiu bit mi v trng thái nhit caăđng dây trên không (OHL) cũngănhă

các yu tố nhăhngăđn kh nĕngămangăti ca nó. Khi mt dây dn mang ti to
nên sự tĕngătn tht công sut biăđin tr vƠădòngăđin chy qua nó. Kt qu là
gim khong cách giaă dơyăvƠă đt. Ngoài ra, đngădơyă trênă khôngă kháă thng
xuyên tip xúc vi bc x mặt tri làm cho nhităđ caădơyătĕngălên.ăTruyn nhit
ca dây dnătrênăkhôngăđc tiêu tán bi sự luăthôngăca dòng không khí xung
quanhăđngădơyă(đốiăluătự nhiênăvƠăđốiăluăcỡng bc (gió)) và cũng có th do c
ch bc x.ăGiámăsátăcácăđiu kin ti ln và dự đoánătrng thái nhit ca các thành
phn trong mngăđin truyn ti và phân phối tr nên ht sc quan trng cho hot
đng an toàn ca mng và cung cpăđinăđángătinăcyăchoăngi tiêu dùng.
Hu qu nghiêm trng ca các mc nhităđ quá mcătrongăđng dây trên
khôngălƠăvõngătĕngădoăkh nĕngăca vt liu gin n trong quá trình phát nhit kt
qu lƠăcácăđngădơyăđin kéo dài và b trùng xuống, đin tr caăđngădơyătĕngă
lên làm cho kh nĕngămang ti caăđngădơyăkémăđiăvƠăgim kh nĕngămangăti
ca h thống.
Mô phỏng số các quá trình truyn nhit có th là mt lựa chn thay th đ
điu tra th nghim,ămƠătheoăthôngăthng thì rt tốn kém và mt thi gian. Ngun
gốc số ca mt vài sự hiu bit liên quan truyn nhităchoăc tính chính xác ca


-30-

trng thái nhit trong các mngăđin phân phối và truyn ti lƠăđóngăgópăchính ca
lună vĕn. Lunăvĕnă nƠyă dùngă lƠmătƠiăliu hc tp và sự hiu bită lĩnhă vực công
nghipăđin phát sinh từ cuốn lunăvĕnănƠy.
Nghiên cu này h tr cho mcăđíchătrênăbằng cách nghiên cuăcácăcăch
truyn nhităliênăquanăđnăđngădơyătrênăkhôngă(OHδ),ăđánhăgiáăđiu khinăđu ra
ngun phn phối. Các mô hình thành phn h thốngăđin và các d liuăkhíătng
hinăcóălƠăcăs dùngăđ đánhăgiáănhităđng.
Li ích ln khi truyn ti công sut có th đtăđc bi vicătĕngănhỏ kh
nĕngămangăti. Kt qu là, nhiu tinăíchăđangăxemăxétăvn hành  đng dây trên

không vi mcăđ s dngămƠăvƠiănĕmătrcăđơyăcóăth không ngh ti.
1.5 Phm vi nghiên cứuăvƠăđim mi caăđ tài
1.5.1 Phm vi nghiên cứu caăđ tài
Trong khuôn kh ca lună vĕnănƠy,ă chúngă tôiătp trung vào vic s dng
phngăphápăPhn t hu hn thích nghi (Adaptive ậ Finite Element Method: A-
FEM) thông qua modul truyn nhit trong phn mmăComsolăεultiphysicsăđ tính
toán phân bố trng nhit và kh nĕngămangăti caăđng dây trên không trong
trng thái nă đnh. Kt qu tínhă toánă trng nhit dùng phn mm Comsol
Multiphysics s đc kim chng thông qua vic so sánh kt qu đƣăđc tính toán
biăphngăphápăth tích hu hn (FVM) và kt qu tínhătoánădùngăphngăphápă
gii tích theo tiêu chun IEEE-738. Sau khi kim chng kt qu, chúng tôi s s
dng các số liu thực t ca khí hu vùng min Vit Nam đ mô phỏngăcũngănhă
đánhăgiáăkh nĕngămangăti caăđng dây trên không  trng thái năđnh.
1.5.2ăĐim mi caăđ tài
ĐơyălƠălnă đu tiên  Vit Nam, vic ng dng Modul truyn nhit trong
phn mmăComsolăεultiphysicsăđc s dngăđ tínhătoánătrng nhit caăđng
dơyătrênăkhông.ăQuaăđóălƠmăcăs tính toán kh nĕngămangădòngăcaăđng dây