Tính toán điện trường đường dây truyền tải điện cao áp một chiều (hvdc) bằng phương pháp phần tử hữu hạn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM
------------------------------

HÀ BẢO LINH

TÍNH TỐN ĐIỆN TRƯỜNG ĐƯỜNG DÂY
TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU (HVDC)
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành: Thiết bị Mạng và Nhà máy điện
Mã số ngành: 60 52 50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: .............................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: ...................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: ...................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)


Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 2013.
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HÀ BẢO LINH

Phái

: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01-02-1980

Nơi sinh

: Lâm Đồng

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

MSHV

: 10180086

I.

TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN ĐIỆN TRƯỜNG ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI

ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU (HVDC) BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU
HẠN
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VẦNG QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU.
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN TRƯỜNG ION HĨA.
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN.
CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.

III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 02/07/2012

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

: 21/06/2013

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. VŨ PHAN TÚ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. VŨ PHAN TÚ
Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày

tháng

TRƯỞNG KHOA DIEN - DIEN TU

năm 2013


Lời Cảm Ơn

Em xin kính gởi đến th ầy TS. Vũ Phan Tú lời biết ơn sâu sắc nhất.
Thầy đã dành nhiều thời gian quý báu trực tiếp hướng dẫn, tạo mọi điều
kiện thuận lợi cũng như cho em những lời khun bổ ích, giúp em hồn
thành luận văn này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở trường Đại học
Bách Khoa, là những người truyền đạt kiến thức, định hướng nghiên cứu .
Cảm ơn bạn bè đã cùng chia sẻ, trao đổi kiến thức trong học tập
cũng như trong quá trình thực hiện luận văn.
Cảm ơn gia đình và những người thân u đã ln tạo điều kiện,
động viên, giúp đỡ là chỗ tựa vững chắc giúp em an tâm học tập vượt qua
những khó khăn trong thời gian qua .
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
Học viên thực hiện

HÀ BẢO LINH


TĨM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này đưa ra thuật tốn để phân tích điện trường, dịng vầng quang xung
quanh đường dây truyền tải cao áp một chiều (HVDC), phân tích được điện trường tạo

ra từ đường dây truyền tải cao áp một chiều bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Trong luận văn có sử dụng phần mềm COMSOL MULTIPHYSICS để phân
tích và tính tốn điện trường của đường dây truyền tải cao áp một chiều trong các
trường hợp khác nhau.

ABSTRACT
This paper offers algorithms to analyze the electric field, the corona around the
high voltage direct current (HVDC) transmission lines, analysis electric field which
are generated from high voltage direct current transmission lines by Finite Element
Method.
In this paper using COMSOL Multiphysics software to analyze and calculate
the electric field of the high voltage direct current transmission lines in different cases.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU .....................................................................................12
1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP
MỘT CHIỀU .............................................................................................................12
1.1.1

Lịch sử phát triển hệ thống truyền tải HVDC ...........................................12

1.1.2

Ưu nhược điểm của đường dây truyền tải HVDC.....................................13

1.1.3

Ý nghĩa của việc nghiên cứu .....................................................................15

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC .............................15
1.3 TÓM TẮT SƠ LƯỢC CÁC BÀI BÁO LIÊN QUAN.......................................16
1.3.1

A New Approach to Calculate the Ionized Field of HVDC Transmission
in the Space and on the Earth Surface [1] .................................................16

1.3.2

DC Electric Fields From Corona-Generated Space Charge Near AC
Transmission Lines [2] ..............................................................................16

1.3.3

Analysis of Electric Field, Ion Flow Density, and Corona Loss of Same –
Tower Double – Circuit HVDC Lines Using Improved FEM [3] ............17

1.3.4

Calculation and measurement of electric field under HVDC transmission
line [4] .......................................................................................................17

1.3.5

Finite Element Modelling of Ionized Field Quantities around a Monopolar
HVDC Transmission Line [5] ...................................................................18

1.4 NHẬN XÉT .......................................................................................................18
1.4.1

Đánh giá.....................................................................................................18

1.4.2

Mục đích nghiên cứu .................................................................................19

1.5 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU 19
1.6 Ý NGHĨA C ỦA VIỆC PHÂN TÍCH TRƯỜNG ION HĨA (Ionized Field) ....21
1.7 NỀN TẢNG VẬT LÝ CỦA TRƯỜNG ION HÓA...........................................21
CHƯƠNG 2 - LÝ THUYẾT VẦNG QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU ................24
LÝ THUYẾT VẦNG QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU ...............................................24
2.1 LÝ THUYẾT VẦNG QUANG .........................................................................24
2.1.1

Vầng quang tại điện cực dương.................................................................25

2.1.2

Vầng quang tại điện cực âm ......................................................................26

2.2 GIÁ TRỊ ĐIỆN TRƯỜNG VÀ ĐIỆN ÁP KHỞI TẠO VẦNG QUANG.........27
2.2.1

Điện áp khởi tạo vầng quang của dây dẫn đồng trục ................................28

2.2.2

Giá trị điện áp khởi tạo vầng quang của đường dây đơn ..........................28

2.2.3

Giá trị điện áp vầng quang của đường dây kép .........................................31

2.3 PHƯƠNG TRÌNH TỐN HỌC CỦA TRƯỜNG ION HÓA...........................33


2.3.1

Phương trình tốn học đường dây Bipolar ................................................33

2.3.2

Phương trình tốn học đường dây Monopolar ..........................................34

2.4 PHƯƠNG PHÁP LẶP .......................................................................................34
2.5 ĐƠN GIẢN HÓA CÁC GIẢ THIẾT ................................................................35
2.6 ĐƠN GIẢN HÓA PHƯƠNG TRÌNH TỐN HỌC..........................................36
2.6.1

Đơn giả hóa phương trình tốn học mơ tả trường ion hóa của đường dây
kép .............................................................................................................36

2.6.2

Đơn giản hóa phương trình mơ tả trường ion hóa của dây dẫn đơn .........37

2.6.3

Điều kiện biên............................................................................................37

2.7 PHƯƠNG PHÁP GIẢI PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ .........................................39
2.7.1

Giải bài tốn trường ion hóa trong cấu trúc đối xứng ...............................39

2.7.2

Giải bài tốn trường ion hóa trong cấu trúc bất đối xứng .........................40

2.7.2.1

Phương trình trư ờng ion hóa bipolar ..................................................40

2.7.2.2

Phương trình trư ờng ion hóa monopolar ............................................41

CHƯƠNG 3 - PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN TRƯỜNG ION HĨA ............42
PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN TRƯỜNG ION HĨA......................................42
3.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ...................................42
3.1.1

Định nghĩa hình h ọc ..................................................................................44

3.1.1.1

Nút hình học .......................................................................................44

3.1.1.2

Qui tắc chia miền thành các phần tử ..................................................44

3.1.2

Các dạng phần tử .......................................................................................44

3.1.3

Phần tử qui chiếu, phần tử thực.................................................................46

3.2 TẠO LƯỚI PHẦN TỬ HỮU HẠN 2D.............................................................47
3.2.1

Lưới Delaunay...........................................................................................47

3.2.2

Giải thuật tạo lưới Delaunay thích nghi ....................................................48

3.2.3

Ưu điểm của lưới Delaunay thích nghi .....................................................49

3.3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG GIẢI BÀI
TỐN ĐIỆN .............................................................................................................50
3.3.1

Phương trình nội suy .................................................................................50

3.3.2

Đạo hàm ma trận phần tử và việc giải phương trình Poisson ...................51

3.3.3

Tạo lưới tĩnh đi ện ......................................................................................57

3.3.3.1

Tạo lưới cho đường dây bipolar .........................................................57

3.3.3.2

Tạo lưới điện trường cho đường dây monopolar ...............................61

CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN ....................................63
4.1ĐƯỜNG DÂY MONOPOLAR ...........................................................................65


4.1.1

Đối với dây dẫn đồng trục .........................................................................65

4.1.2

Đường dây monopolar trong mơ hình dây dẫn – đất ................................69

4.2 ĐƯỜNG DÂY BIPORLAR...............................................................................71
4.3 ĐƯỜNG DÂY HOMOPOLAR .........................................................................74
4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC ĐƯỜNG DÂY: ..........................................77

4.4.1

Trường hợp 1 .............................................................................................77

4.4.2

Trường hợp 2 .............................................................................................79

4.5 ẢNH HƯỞNG CỦA DÂY CHẮN ĐIỆN TRƯỜNG .......................................81
CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................85
5.1 KẾT LUẬN ........................................................................................................85
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................87


CÁC CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG ĐỀ CƯƠNG
HVDC

: High Voltage Direct Current

PDEs

: Partial Differential Equations

FEM

: Finite Element Method

MOC

: Method Of Characteristic

MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1: mơ hình đường dây monopolar ...............................................................19
Hình 1.2: mơ hình đư ờng dây bipolar .....................................................................20
Hình 1.3: mơ hình đường dây Homopolar ..............................................................20
Hình 2.1: Cấu trúc lớp ion hóa xung quanh dây dẫn ..............................................25
Hình 2.2: Sự hình thành thác điện tích trong phóng điện vầng quang của dây dẫn
điện thế dương.........................................................................................................26
Hình 2.3: Sự hình thành thác điện tích trong phóng điện vầng quang của dây dẫn
mang điện thế âm ....................................................................................................27
Hình 2.4: Cấu trúc dây dẫn đồng trục .....................................................................28
Hình 2.5: mơ hình đường dây – đất ........................................................................29
Hình 2.6: điện tích đặc trưng tại một điểm của mơ hình dây dẫn – đất ..................30
Hình 2.7: đi ện tích đặc trưng tại một điểm của mơ hình dây kép ...........................32
Hình 2.8: Lưu đồ phép lặp xác định E và  ............................................................34
Hình 2.9: điều kiện biên đối với mơ hình dây dẫn đồng trục .................................38
Hình 2.10: điều kiện biên đối với mơ hình đường dây - đất ...................................38
Hình 2.11: điều kiện biên đối với mơ hình dường dây kép ....................................39
Hình 3.1: Các dạng biên chung giữa các phần tử ...................................................44
Hình 3.2: Phần tử quy chiếu và các phần tử thực tam giác.....................................46
Hình 3.3: Minh hoạ Delaunay và Locally Delaunay ..............................................47


Hình 3.4: Lưới tam giác Delaunay..........................................................................48
Hình 3.5: Rời rạc hố miền khảo sát bài tốn Poisson............................................50
Hình 3.6: tham số của phần tử tam giác..................................................................54
Hình 3.7: Đường điện trường của đường dây bipolar.............................................58
Hình 3.8: Đường điện trường và đường đẳng thế của đường dây bipolar ..............60
Hình 3.9: Đư ờng điện trường của đường dây bipolar.............................................61

Hình 4.1: Mơ hình cấu trúc dây dẫn đồng trục .......................................................65
Hình 4.2: Lưới phần tử hữu hạn dây dẫn đồng trục ................................................66
Hình 4.3: Phân bố trường điện ................................................................................67
Hình 4.4: Phân bố đường điện trường và đường đẳng thế theo mặt cắt ngang ......67
Hình 4.5: Phân bố đường điện trường tại vị trí cách dây dẫn khoảng cách
y=0.285m ...............................................................................................................68
Hình 4.6: Phân bố đường điện trường cao khác nhau.............................................68
Hình 4.7: Mơ hình đường dây dẫn – đất ................................................................69
Hình 4.8: Chia lưới phần tử đường dây dẫn – đất ..................................................69
Hình 4.9: Phân bố trường điện ...............................................................................70
Hình 4.10: Phân bố đường điện trường và đường đẳng thế theo mặt cắt ngang ....70
Hình 4.11: Phân bố trường điện tại độ cao khác nhau ............................................71
Hình 4.13: Mơ hình đường dây và miền khảo sát ..................................................72
Hình 4.14: Lưới phần tử hữu hạn............................................................................72
Hình 4.15: Phân bố trường điện của đường dây kép ..............................................73
Hình 4.16: Phân bố đường điện trường và đường đẳng thế theo mặt cắt ngang ....73
Hình 4.17: Điện trường tại mặt đất .........................................................................74
Hình 4.18: cấu trúc đường dây homopolar .............................................................75
Hình 4.19: lư ới phần tử hữu hạn .............................................................................75
Hình 4.20: Phân bố trường điện của đường dây homopolar 3 cực .........................76


Hình 4.21: Phân bố đường điện trường và đường đẳng thế theo mặt cắt ngang ....76
Hình 4.22: Điện trường phân bố ở các độ cao khác nhau .......................................77
Hình 4.23: sơ đồ bố trí dây dẫn trong trường hợp 1 ...............................................78
Hình 4.24: lư ới phần tử hữu hạn trong trường hợp 1..............................................78
Hình 4.25: điện trường tại mặt đất trong trường hợp 1...........................................79
Hình 4.26: sơ đồ bố trí dây dẫn trong trường hợp 2 ..............................................79
Hình 4.27: lưới phần tử hữu hạn trong trường hợp 2 .............................................80
Hình 4.28: Điện trường phân bố tại đất trong trường hợp 2 ...................................80

Hình 4.29: So sánh điện trường phân bố tại đất của 2 trường hợp ........................81
Hình 4.30: Cấu trúc đường dây có dây chắn điện trường ......................................82
Hình 4.31: Lưới PTHH cấu trúc đường dây có dây chắn điện trường ...................82
Hình 4.32: Phân bố trường điện trong trường hợp khơng có dây chắn .................83
Hình 4.33: Phân bố trường điện trong trường hợp có dây chắn ............................83
Hình 4.34: So sánh điện trường phân bố trong 2 trường hợp có và khơng sử dụng
dây chắn

...............................................................................................................84


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO
ÁP MỘT CHIỀU
1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống truyền tải HVDC
Hệ thống truyền tải điện một cao áp chiều (HVDC – High Voltage Direct
Current) là phương pháp truyền tải điện năng với công suất lớn và với khoảng cách
xa. Kỹ thuật truyền truyền tải một chiều này bắt đầu được phát triển mạnh từ thập
niên 30 của thế kỉ trước.
Năm 1939, Uno Lamm đã phát minh ra van hồ quang thủy ngân cao áp bằng
cách giới thiệu phương pháp phân loại điện cực giữa các lưới và anode để tạo ra
nhiều các vùng đẳng thế
Sự phát triển ứng dụng công nghệ của các van hồ quang thủy ngân được sử
dụng rộng rãi trong việc thiết kế các hệ thống truyền tải một chiều. Năm 1954,
đường dây truyền tải đầu tiên được xây dựng dùng liên kết giữa Thụy Điển và đảo

Gotland sử dụng cáp ngầm vận hành ở điện áp 100 kV và công suất 20MW,…. ,
Sau đó các hệ thống truyền tải một chiều chỉ còn sử dụng các thiết bị bán dẫn trạng
thái rắn
Cùng với sự phát triển của các thịết bị điện tử cơng suất có điều khiển
(Thyristor, GTO, IGBT,…) đã khiến cơng nghệ truyền tải điện một chiều có tính
khả thi và phát triển mạnh. Đến nay trên thế giới nhiều nước đã và đang áp d ụng.
Điển hình như:
Đường dây HVDC+/-600kV Itaipu (Paraguay) – Sao Paulo (Brazil): hệ
thống HVDC nối thủy điện Itaipu 12600 MW (Paraguay) với thành phố Sao Paulo
(Brazil) thông qua 4 mạch DC (2 mạch kép). Một số thông số kỹ thuật:
- Năm vận hành: 1984-1987.
- Công suất truyền tải: 3150 (mạch 1) + 3150 (mạch 2) = 6300 MW.
12


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

- Điện áp 1 chiều: +/- 600 kV.
- Chiều dài đường dây trên không: 785 km + 805 km.
- Lý do chính lựa chọn HVDC: Khoảng cách lớn, 2 hệ thống điện khác tần số
(máy phát tại Itaipu có tần số 50Hz, nơi nhận Sao Paulo có tần số 60Hz).Lượng
cơng suất cịn lại 6300 MW của TĐ Itaipu được truyền tải về Sao Paulo bằng 3
mạch đường dây xoay chiều 750 kV.
Đường dây HVDC 350kV Leyte – Luzon, Philipines: đường dây HVDC
350kV truyền tải công suất 440 MW từ nhà máy địa nhiệt trên đảo Leyte tới phía
nam đảo Luzon liên kết với hệ thống xoay chiều. Một số thông số cơ bản:
- Năm vận hành: 1998.
- Công suất truyền tải: 440 MW.

- Điện áp 1 chiều: 350 kV.
- Chiều dài đường dây trên không: 430 km.
- Chiều dài cáp biển: 21 km.
Đường dây HVDC +/-500kV Rihand – Delhi, Ấn Độ: Tập đoàn nhiệt điện
quốc gia Ấn Độ đã xây dựng một nhà máy nhiệt điện chạy than công suất 3000 MW
tại quận Sonebhadra thuộc bang Uttar Pradesh, gọi tên là trung tâm nhiệt điện
Rihand. Một phần công suất ở Rihand được truyền về Delhi bằng đường dây một
chiều lưỡng cực, công suất 1500 MW điện áp +/- 500kV. Phần còn lại được phát lên
lưới xoay chiều 400kV. Một số thông số kỹ thuật:
- Năm vận hành: 1990.
- Công suất truyền tải: 1500 MW.
- Điện áp truyền tải: +/- 500 kV.
- Chiều dài đường dây trên không: 814 km.
- Lý do lựa chọn HVDC: chiều dài lớn, ổn định hệ thống điện.
1.1.2 Ưu nhược điểm của đường dây truyền tải HVDC
Ưu điểm
13


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

Dưới đây là một số ưu điểm của phương pháp truyền tải điện cao áp một
chiều so với đường dây truyền tải xoay chiều truyền thống.


Điều khiển dòng năng lượng rất nhanh, do đó nâng cao độ ổn định

khơng chỉ đối với các liên kết HVDC mà cịn đối với hệ thống xoay chiều xung

quanh.


Hệ thống HVDC có thể truyền tải công suất lớn hơn đối với cùng một

cỡ dây so với hệ thống xoay chiều,…


Cùng một công suất truyền tải thì cấp điện áp của đường dây HVDC

thấp hơn đường dây AC do đó yêu cầu cách điện cũng đơn giản hơn.


Cho phép truyền tải điện năng giữa hai hệ thống điện xoay chiều có

tần số khác nhau.
Nhược điểm


Giá thành các bộ biến đổi còn cao.



Rất phức tạp và tốn kém khi lấy công suất dọc đường dây.

Có nhiều ưu điểm so với đường dây truyền tải AC nhưng vầng quang mà nó
tạo ra có mật độ điện tích và điện trường lớn hơn đường dây AC.
Ngồi các ưu nhược điểm trên, thuận lợi của truyền tải cao áp một chiều còn
thể hiện ở chổ giảm tổn hao công suất truyền tải đối với truyền tải khoảng cách xa,
cơng suất truyền tải lớn, có thể sử dụng đất như một đường trở về. Vì thế mỗi dây

dẫn trong hệ thống có thể vận hành như một mạng độc lập, hệ số cơng suất trên tồn
đường dây đồng nhất do đó khơng cần phải bù cơng suất phản kháng.
Tuy nhiên vấn đề đi cùng với truyền tải HVDC là vầng quang phát ra từ bề
mặt dây dẫn tạo ra các thác điện tích trong khơng gian gây ra tổn hao công suất và
tác động đến môi trường. Một số nghiên cứu trước đây chỉ ra sự ảnh hưởng trực tiếp
đến sức khỏe con người và động vật. Ngoài ra cịn ảnh hưởng gây nhiễu sóng đối
với các thiết bị thu phát sóng: radio, tivi, …

14


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.1.3 Ý nghĩa c ủa việc nghiên cứu
Trong những năm qua, nhu cầu về điện cũng như sự phát triển của cơng nghệ
đã kích thích sự phát triển của hệ thống truyền tải HVDC. Song vầng quang và các
trường ion mà nó tạo ra là đáng quan tâm. Dưới tác động của điện trường làm cho
các điện tích trong khơng gian chuyển hướng và tạo thành các dịng thác điện tích
trong khơng gian. Các nghiên cứu trước đây cho thấy điện trường tập trung ở
khoảng cách 3.5 đến 5.5 lần chiều cao của đường dây HVDC gây nên mất cân bằng
điện tích trong tự nhiên.
Việc tính tốn vầng quang đường dây HVDC bao gồm tính tốn điện trường
và mật độ điện tích xung quanh dây dẫn.
Việc tính tốn điện trường và mật độ điện tích trong khơng gian có ý nghĩa
quan trọng giúp việc ước lượng sự tác động của đường dây HVDC đối vói con
người và mơi trường xung quanh.
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC
Ngày nay phương pháp số đã tr ở nên phổ biến và được ứng dụng trong hầu

hết các bài toán kỹ thuật. Phương pháp số có ưu điểm là giải nhanh được các bài
tốn phức tạp và có độ chính xác cao và nó gần như đã thay thế cho bài tốn giải
tích. Mơ hình tốn học của các vấn đề trong Khoa học và Kỹ thuật thường dẫn đến
hệ phương trình đ ạo hàm riêng (Partial Differential Equations - PDEs). Tuỳ theo
điều kiện biên mà PDEs được chia thành hai loại chính: Bài tốn điều kiện đầu và
bài tốn điều kiện biên. Thơng thường, khơng thể tìm đư ợc lời giải chính xác thoả
mãn PDEs, vì vậy các phương pháp số được áp dụng để tìm lời giải gần đúng.
Các phương pháp số: Phần tử hữu hạn (Finite Element Method), phần tử biên
(Boundary Element Method - BEM), sai phân hữu hạn (Finite Differential Method FDM), thể tích hữu hạn (Finite Volume Method - FVM)… đã và đang được phát
triển, đạt nhiều thành cơng và đóng góp rất lớn vào nền khoa học kỹ thuật thế giới.
Các chuyên ngành kỹ thuật như cơ học ứng dụng, kỹ thuật hàng không, kỹ
thuật xây dựng, kỹ thuật cơ khí,… đã ứng dụng phương pháp tính tốn này rất phổ
biến và gần như nó đã thay thế hồn tồn các phương pháp cổ điển như việc ra đời
các phần mềm ứng dụng hữu ích trên cơ sở của phương pháp số như: COMSOL,

15


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF
v.v. Đặc biệt trong trong ngành kỹ thuật điện việc ứng dụng phương pháp số để giải
bài toán trường điện từ của antenna, máy điện, máy biến áp, mô phỏng q độ của
hệ thống nối đất, tính tốn trường nhiệt của cáp,… đã và đang b ắt đầu được áp dụng
rộng rãi.
Ngày nay việc nghiên cứu tính tốn điện trường đường dây truyền tải cao áp
một chiều đang được nghiên cứu khá phát triển. Tuy nhiên việc nghiên cứu trong
nước về vấn đề tính tốn điện trường đường dây HVDC bằng phương pháp phần tử

hữu hạn còn đang bị bỏ ngõ.
1.3 TÓM TẮT SƠ LƯỢC CÁC BÀI BÁO LIÊN QUAN
1.3.1 A New Approach to Calculate the Ionized Field of HVDC
Transmission in the Space and on the Earth Surface [1]
Tác giả: s. Fortin, H. Zhao, J. Ma, Senior Member IEEE
Bài báo giới thiệu phương pháp giải bài toán Poission của hệ thống truyền tải
HVDC.
Giới thiệu điều kiện biên cần thiết trong việc giải quyết phương trình
Poission qua đó tính tốn cường độ điện trường trong không gian xung quanh
đường dây truyền tải HVDC.
Trong cách tiếp cận này, các dây dẫn được phân tách và tính tốn riêng rẽ
cho kết quả chính xác hơn.
1.3.2 DC Electric Fields From Corona-Generated Space Charge
Near AC Transmission Lines [2]
Tác giả: T. Dan Bracken, Fellow, IEEE, Russell S. Senior, and William H.
Biley, Member, IEEE
Bài báo giới thiệu sự biến đổi của điện trường và mật độ ion gần đường dây
truyền tải xoay chiều.
Bài báo đã phân tích về cường độ điện trường, mật độ điện tích dựa trên sự
đo đạt các số liệu thực tế.
16


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

Kết quả phân tích cho thấy sự ảnh hưởng của điện trường, mật độ ion theo
hướng gió khơng gian xung quanh là rất rõ ràng tuy nhiên khi xét trung bình trong
khoảng thời gian dài là tương đối nhỏ.

Kết quả của bài báo cho thấy có sự phù hợp với các nghiên cứu trước đây.
Cụ thể cho thấy các đường dây truyền tải AC rất dễ có tác động đến các điện tích
khơng gian (mật độ ion, cường độ điện trường).
1.3.3 Analysis of Electric Field, Ion Flow Density, and Corona Loss
of Same – Tower Double – Circuit HVDC Lines Using
Improved FEM [3]
Tác giả: Jie Liu, Jun Zou, Jihuan Tian, and Jiansheng Yuan
Bài báo phân tích về điện trường và các dịng ion trong khơng khí xung
quanh đường dây truyền tải cao áp một chiều HVDC. Qua đó sử dụng phương pháp
SUPG – FEM để giải quyết bài toán có tính đến tác động của gió.
SUPG – FEM đã phân tích đư ợc các thơng số Emax, Jmax và P. Các thơng
số có ý nghĩa rất lớn trong việc thiết kế đường dây HVDC.
1.3.4 Calculation and measurement of electric field under HVDC
transmission line [4]
Tác giả: A. Kasdia, Y. Zebboudj, and H. Yala
Tác giả đã đưa ra đư ợc các ưu điểm của đường dây truyền tải HVDC so với
truyền tải AC ở khoảng cách xa. Qua đó cho thấy sự tác động đối với môi trờng
xung quanh do vầng quang và các trường ion hóa tạo ra là tương đối lớn so với
đường dây AC.
Tác giả đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để giải phương trình Poission
và phương pháp MOC (Method Of Characteristic) tìm mật độ phân bố điện tích,
cường độ điện trường.

17


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.3.5 Finite Element Modelling of Ionized Field Quantities around a
Monopolar HVDC Transmission Line [5]
Tác giả: Vinay Jaiswal and M Joy Thomas. Deperment of High Voltage
Engineering, Indian Institute of Science, Bangalore 560012
Trong bài báo này, phương thình Poission mơ tả trường ion hóa xung quanh
đường dây truyền tải HVDC dùng phương pháp cải tiến dựa trên phương pháp phần
tử hữu hạn. Các thông số về điện trường và các đường đẳng thế được tính dựa trên
phương pháp này. Điện trường tại mặt đất trong điều kiện có và khơng có sự hiện
diện của các điện tích trong khơng gian, mật độ điện tại mặt đất cũng được tính tốn
trong bài báo. Kết quả đạt được cho thấy phù hợp các kết quả đã đư ợc công bố
trước đây.
1.4 NHẬN XÉT
1.4.1 Đánh giá
Do điều kiện kinh tế - xã hội, đặc tính và tình hình tiêu thụ điện năng trong
nước chưa cao nên nước ta chưa có cơng trình truyền tải điện cao áp một chiều. Do
đó việc nghiên cứu, tính tốn điện trường của đường dây HVDC cịn bị bỏ ngõ.
Tuy nhiên trên thế giới hiện đang khai thác các tiện ích của đường dây
HVDC rất nhiều vì thế cũng có rất nhiều các bài báo nghiên cứu, tính toán điện
trường của đường dây HVDC. Cùng với sự phát triển của cơng cụ tính tốn nhiều
cơng cụ, giải thuật đã được đề xuất hỗ trợ tính tốn nên bài tốn về điện trường
được giải quyết có tính chính xác khá cao.
Từ các phân tích trên thấy rằng việc tính toán điện trường dường dây truyền
tải HVDC là rất quan trọng, có ý nghĩa trong việc phát triển hệ thống điện cũng như
các dự báo chính xác về tác động đối với con người và môi trường xung quanh
nhằm giúp cho việc đưa ra các phương án khắc phục sự ảnh hưởng của điện trường.
Trên thế giới thì cơng nghệ truyền tải điện một chiều cao áp rất phát triển và
việc nghiên cứu điện trường của nó cũng trở nên phổ biến. Tuy nhiên việc nghiên
cứu trong nước về vấn đề trên còn bị bỏ ngõ.

18

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

Do đó mục tiêu của bài luận này nhằm đề xuất phương pháp giải quyết bài
toán điện trường đường dây truyền tải điện cao áp một chiều sử dụng phương pháp
phần tử hữu hạn (Finite Element Method).
1.4.2 Mục đích nghiên cứu
Mục đích sau khi thực hiện xong luận văn có thể:
-

Nắm vững cơ sở lý thuyết điện trường đường dây truyền tải HVDC.

-

Nắm vững phương pháp phần tử hữu hạn trong giải các bài toán kỹ

thuật. Đặc biệt là vận dụng phân tích điện trường đường dây HVDC cả đơn cực
(Monopolar line) và lưỡng cực (Bipolar line).
-

Sử dụng các công cụ mô phỏng (Matlab, comsol, Ansys, …) để mô

phỏng điện trường.
1.5 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT
CHIỀU
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ biến đổi điện cao áp và một số
công cụ khác việc ứng dung công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC)

trở nên phổ biến. Thuận lợi của truyền tải HVDC so với AC là bao gồm tổn thất
thấp với khoảng cách xa, công suất truyền tải lớn có thể sử dụng đất như đường trở
về vì thế mỗi dây dẫn được vận hành một cách độc lập, khơng có hiệu ứng bề mặt,
hệ số cơng suất khơng đổi trên tồn đường dây. Do đó khơng cần bù công suất phản
kháng, loại bỏ của hệ thống đồng bộ và các vấn đề ổn định, có thể liên kết các hệ
thống AC có tần số khác nhau. Tuy nhiên vấn đề ở truyền tải HVDC là sự phát vầng
quang từ đường dây bao gồm: tổn thất công suất, gây nhiễu sóng radio, …

AC

AC

Đường trở về
Hình 1.1: mơ hình đường dây monopolar

19


CHƯƠNG 1

AC

GIỚI THIỆU

+

AC

Hình 1.2: mơ hình đường dây bipolar

AC

AC

Hình 1.3: mơ hình đường dây Homopolar
Hệ thống truyền tải HVDC bao gồm 3 loại chủ yếu sau:
Đường dây đơn cực (Monopolar line): đường dây bao gồm một dây dẫn
mang điện tích dương hoặc âm truyền công suất từ đầu phát đến đầu nhận. Trong hệ
thống này, đất hay nước được dùng như đường trở về (Hình 1.1).
Đường dây lưỡng cực (Bipolar line): hệ thống gồm hai dây dẫn mang điện
tích dương và điện tích âm. Mỗi đầu đều có bộ biến đổi điện áp định mức bằng nhau
mắc nối tiếp về phía một chiều. Nếu trung tính là đất thì hai dây dẫn vận hành độc
20


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

lập. Bình thường hai dây vận hành với dòng đi ện bằng nhau nên dòng xuống đất là
bằng không. Trong hệ thống này nếu 1 dây gặp sự cố thì dây cịn lại có thể mang ½
tải. Do đó hệ thống Bipolar vận hành ổn định hơn Monopolar nhưng chi phí lắp đạt
cao hơn. (Hình 1.2) .
Homopolar line: hệ thống bao gồm 2 hoặc nhiều hơn 2 dây dẫn. Các dây dẫn
vận hành cùng điện cực và luôn ln sử dụng đất làm đường trở về (Hình 1.3)
Trong trường hợp xảy ra sự cố với một trong các dây dẫn khi đó các trạm đầu cuối
vẫn được nối với các dây dẫn cịn lại và đảm bảo cơng suất truyền tải được liên tục.
Trong thực tế, dạng cấu trúc đường dây truyền tải này rất ít được sử dụng vì chi phí
đầu tư cao khơng hiệu quả về kinh tế.
Việc tính tốn tổn thất cơng suất vầng quang trên đường dây HVDC được

gọi là tính tốn phân bố trong không gian bao gồm điện trường và mật độ điện tích
xung quanh vầng quang của đường dây. Các giá trị của điện trường và mật độ điện
tích tại đất có vai trị quan trọng trong việc đánh giá tác động của đường dây truyền
tải HVDC đến con người và mơi trường xung quanh.
1.6 Ý NGHĨA CỦA VIỆC PHÂN TÍCH TRƯỜNG ION HÓA (Ionized Field)
Trong những năm gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật truyền tải điện một
chiều. Các đường dây truyền tải một chiều vận hành với điện áp trên 500 kV phổ
biến khắp thế giới. Tuy nhiên, đường dây truyền tải DC vận hành trên giá trị điện áp
khởi tạo vầng quang khi đó sẽ có sự xuất hiện của các ion và điện tích khơng gian
được tạo ra xung quanh đường dây. Dưới tác động của điện trường, các điện tích
khơng gian này chuyển hướng và lắp đầy vùng không gian xung quanh dây dẫn vì
thế gây ra tổn thất cơng suất trên đường dây. Sự xuất hiện của các điện tích khơng
gian làm phá vỡ cân bằng tự nhiên điện tích âm và điện tích dương trong khơng khí
và kết quả là một vài yếu tố sinh học có thể bị tác động. Tất cả điều này địi hỏi phải
có những phân tích định lượng của trường bị ion hóa. Trong trường hợp đường dây
HVAC, do sự đổi chiều định kỳ của các phân cực của điện áp, do đó điện tích
khơng gian được giữ giới hạn trong một khu vực nhất định gần đường dây.
1.7 NỀN TẢNG VẬT LÝ CỦA TRƯỜNG ION HÓA
Như đã đề cập ở trên, trường ion hóa có mối liên hệ với hiện tượng vầng
quang. Theo “IEEE Standard of Electrical and Electric Terms” định nghĩa “vầng
21


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

quang là sự phóng điện phát sáng nhờ vào sự ion hóa khơng khí xung quanh dây
dẫn bởi gradient điện áp vượt quá giá trị tới hạn nhất định” . Giá trị gradient điện
áp (hoặc cường độ điện trường) và giá trị điện áp tương ứng gọi là điện áp (hoặc

điện trường) khởi tạo vầng quang tương ứng.
Hiện tượng phóng điện vầng quang chỉ có thể xảy ra trong trường hợp điện
trường không đồng nhất. Trong hệ thống truyền tải cao áp, đường kính của dây dẫn
thì rất nhỏ so với chiều cao của dây dẫn và điện trường tăng rất cao gần bề mặt dây
dẫn. Từ lý thuyết về ion hóa của Townsend [6] chỉ ra rằng các eletron gần dây dẫn
có thể đạt được động năng đủ lớn từ điện trường và ion hóa các phân tử khơng khí
do va chạm. Điều này tạo thành thác điện tích bao gồm các electron và ion dương.
Sự phóng điện vầng quang xảy ra khi các thác điện tích này trở nên tự duy trì. Khi
đó cường độ điện trường giảm mạnh ở vùng xa với bề mặt dây dẫn. Khi đó sự
phóng điện chỉ hạn chế tại lớp mỏng xung quanh dây dẫn và được gọi là lớp ion
hóa.
Vầng quang trên đường dây truyền tải tùy thuộc vào phân cực của dây dẫn
mà ta có vầng quang điện thế dương và vầng quang điện thế âm.
Vầng quang trong cấu trúc đường dây mang điện thế dương và đất tạo thành
các tia lửa và xung phát sáng xảy ra một cách ngẫu nhiên. Khi điện áp dây dẫn càng
lớn, các xung này xảy ra thường xuyên hơn và tạo thành các xung phát sáng ở gần
dây dẫn. Các electron được tạo ra trong lớp ion hóa được hút về phía dây dẫn, các
ion dương di chuyển ngược về phía xuống đất.
Trong trường hợp dây dẫn mang điện âm, sự phóng điện xung xảy ra thường
xuyên hơn gọi là xung Trickle, tần số của các xung này tùy thuộc vào điện áp của
dây dẫn, điện áp càng cao thì các xung Trickle được tạo ra đều đặn hơn. Các
electron tạo ra từ lớp ion hóa nhanh chóng lắp đầy lớp khơng khí xung quanh. Các
ion âm di chuyển về đất trong khi các ion dương di chuyển về phía dây dẫn để trung
hòa các ion âm.
Như đã biết, khi vầng quang xảy ra trên đường dây monopolar, lớp ion hóa
xung quanh dây dẫn đóng vai trị như vùng t ạo ra các điện tích khơng gian cùng cực
với vầng quang dây dẫn. Vì thế tồn bộ khoảng khơng gian giữa dây dẫn và đất
được lắp đầy các điện tích này. Vận tốc di chuyển của các điện tích này phụ thuộc
22

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

vào độ lớn điện trường kE (hoặc – kE) với k là độ chuyển động của các ion và E là
cường độ điện trường. Khi đó mật độ dịng vầng quang được tính như sau:
j = k||E
Trong đó  là mật độ điện tích khơng gian.
Trong trường hợp đường dây bipolar với hai dây dẫn vận hành song song
nhau và song song với đất có cực trái dấu nhau, khi đó các điện tích âm và điện tích
dương được tạo ra tại vùng gần 2 dây dẫn. Các điện tích khơng gian được tạo ra từ
dây dẫn này di chuyển về phía dây dẫn kia và ngược lại khi đó các điện tích khơng
gian này lắp đầy khoảng không và xảy ra hiện tương tái kết hợp.

23


CHƯƠNG 3

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN TRƯỜNG ION HĨA

CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT VẦNG QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.1 LÝ THUYẾT VẦNG QUANG
Trong chương này giới thiệu vắn tắt về nền tảng vật lý của vầng quang một
chiều. Quá trình hình thành vầng quang trên dây dẫn.
Như đã trình bày ở phần trước, vầng quang là sự phóng điện một phần nó
xảy ra tại lớp khơng khí lân cận của dây dẫn nhưng khơng đánh thủng điện trường.
Điều này có thể xảy ra dọc chiều dài đường dây dẫn, hoặc tại các vùng xung quanh

các điểm có hình dạng bất thường trên bề mặt dây dẫn điện áp cao.
Với giá trị điện cao áp truyền tải trên đường dây, vầng quang bắt đầu khi
điện trường tại các vùng lân cận xung quanh đường dây đạt đến giá trị phá hủy
khơng khí. Lớp vầng quang xung quanh đường dây truyền tải gọi là lớp ion hóa.
Lớp ion hóa xung quanh dây dẫn thẳng như hình 2.1. Trong đó điện trường của lớp
ion hóa là  lớn hơn điện trường của các electron do va đập . Tùy thuộc vào sự sắp
xếp của dây dẫn trên đường dây truyền tải mà lớp ion hóa thường không đối xứng
qua dây dẫn. Trong thực tế, bề dày của lớp ion hóa này được bỏ qua vì nó quá nhỏ
so với chiều cao của dây dẫn so với đất.

24