TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI MỘT CHIỀU HVDC
1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống truyền tải HVDC
Hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) là phương pháp hiệu quả để truyền tải điện năng với công suất lớn qua khoảng cách xa Kỹ thuật này đã được phát triển mạnh mẽ từ những năm 1930, mang lại nhiều lợi ích trong việc cải thiện hiệu suất và giảm tổn thất năng lượng trong quá trình truyền tải.
Năm 1939, Uno Lamm phát minh ra van hồ quang thủy ngân cao áp bằng cách áp dụng phương pháp phân loại điện cực giữa các lưới và anode, tạo ra nhiều vùng đẳng thế.
Sự phát triển của van hồ quang thủy ngân đã đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống truyền tải một chiều Năm 1954, đường dây truyền tải đầu tiên giữa Thụy Điển và đảo Gotland được xây dựng, sử dụng cáp ngầm với điện áp 100 kV và công suất 20MW Kể từ đó, các hệ thống truyền tải một chiều đã chuyển sang sử dụng các thiết bị bán dẫn trạng thái rắn.
Sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất điều khiển như Thyristor, GTO và IGBT đã thúc đẩy công nghệ truyền tải điện một chiều (HVDC) phát triển mạnh mẽ và trở nên khả thi Nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng công nghệ này, trong đó nổi bật là đường dây HVDC +/-600kV Itaipu (Paraguay) – Sao Paulo (Brazil), kết nối thủy điện Itaipu với công suất 12600 MW đến thành phố Sao Paulo thông qua 4 mạch DC (2 mạch kép).
- Công suất truyền tải: 3150 (mạch 1) + 3150 (mạch 2) = 6300 MW
- Chiều dài đường dây trên không: 785 km + 805 km
Lý do chính để lựa chọn hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) là khoảng cách lớn giữa hai hệ thống điện có tần số khác nhau, như trường hợp máy phát tại Itaipu với tần số 50Hz và nơi nhận tại Sao Paulo với tần số 60Hz Để truyền tải lượng công suất còn lại 6300 MW từ TĐ Itaipu về Sao Paulo, ba mạch đường dây xoay chiều 750 kV đã được sử dụng Một ví dụ điển hình về hệ thống HVDC là đường dây HVDC 350kV Leyte – Luzon tại Philippines.
Hệ thống truyền tải 350kV cung cấp công suất 440 MW từ nhà máy địa nhiệt trên đảo Leyte đến phía nam đảo Luzon, kết nối với mạng lưới điện xoay chiều.
- Công suất truyền tải: 440 MW
- Chiều dài đường dây trên không: 430 km
Dự án đường dây HVDC +/-500kV Rihand – Delhi, Ấn Độ, với chiều dài cáp biển 21 km, được xây dựng bởi Tập đoàn nhiệt điện quốc gia Ấn Độ Nhà máy nhiệt điện Rihand, có công suất 3000 MW, tọa lạc tại quận Sonebhadra, Uttar Pradesh, truyền tải 1500 MW điện năng về Delhi qua đường dây một chiều lưỡng cực Phần công suất còn lại được phát lên lưới xoay chiều 400kV.
- 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 đây truyền tải HVDC Ưu điểm
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 nhanh dòng năng lượng giúp nâng cao độ ổn định cho cả các liên kết HVDC và 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
- Giá thành các bộ biến đổi còn cao
- Rất phức tạp và tốn kém khi lấy công suất dọc đường dây
Vầng quang của đường dây truyền tải DC có mật độ điện tích và điện trường lớn hơn so với đường dây AC, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
Truyền tải cao áp một chiều mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt là giảm tổn hao công suất khi truyền tải ở khoảng cách xa và công suất lớn Hệ thống này có thể sử dụng đất làm đường trở về, giúp mỗi dây dẫn hoạt động như một mạng độc lập Điều này dẫn đến hệ số công suất đồng nhất trên toàn bộ đường dây, loại bỏ nhu cầu bù công suất phản kháng.
Việc truyền tải HVDC gặp phải vấn đề liên quan đến vầng quang phát ra từ bề mặt dây dẫn, gây ra các thác điện tích trong không gian, dẫn đến tổn hao công suất và tác động tiêu cực đến môi trường Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiện tượng này có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của con người và động vật Thêm vào đó, nó còn gây nhiễu sóng đối với các thiết bị thu phát sóng như radio và tivi.
1.1.3 Ý nghĩa của việc nghiên cứu
Trong những năm gần đây, nhu cầu tăng cao về điện và sự phát triển công nghệ đã thúc đẩy sự phát triển của hệ thống truyền tải HVDC Tuy nhiên, hiện tượng vầng quang và các trường ion mà hệ thống này tạo ra cần được chú ý Dưới tác động của điện trường, các điện tích trong không gian bị chuyển hướng, hình thành các dòng thác điện tích Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng điện trường thường tập trung ở
4 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 toán vầng quang đường dây HVDC bao gồm tính toán điện trường và mật độ điện tích xung quanh dây dẫn
Việc tính toán điện trường và mật độ điện tích trong không gian là rất quan trọng để đánh giá tác động của đường dây HVDC đối với con người và môi trường xung quanh.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Phương pháp số hiện nay đã trở thành công cụ quan trọng trong giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp, nhờ vào khả năng giải nhanh và độ chính xác cao Trong Khoa học và Kỹ thuật, các vấn đề thường dẫn đến hệ phương trình đạo hàm riêng (PDEs), được phân loại thành bài toán điều kiện đầu và bài toán điều kiện biên tùy theo điều kiện biên Do khó khăn trong việc tìm lời giải chính xác cho PDEs, các phương pháp số như Phần tử hữu hạn, Phần tử biên, Sai phân hữu hạn và Thể tích hữu hạn đã được phát triển và mang lại nhiều thành công, góp phần quan trọng vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật toàn cầu.
Các chuyên ngành kỹ thuật như cơ học ứng dụng, kỹ thuật hàng không, kỹ thuật xây dựng và kỹ thuật cơ khí đã tích cực áp dụng phương pháp tính toán số, thay thế hoàn toàn các phương pháp cổ điển Sự phát triển của các phần mềm như COMSOL, NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000 và SAMCEF đã hỗ trợ đáng kể trong quá trình này Đặc biệt, trong ngành kỹ thuật điện, phương pháp số được sử dụng để giải quyết các bài toán liên quan đến trường điện từ của antenna, máy điện, máy biến áp, mô phỏng quá độ của hệ thống nối đất và tính toán trường nhiệt của cáp, đang ngày càng trở nên phổ biến.
TÓM TẮT SƠ LƯỢC BÀI BÁO LIÊN QUAN
Hiện nay, nghiên cứu về tính toán điện trường của đường dây truyền tải cao áp một chiều (HVDC) đang phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên, trong nước, việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán điện trường cho đường dây HVDC vẫn còn bị bỏ ngỏ.
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
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu các điều kiện biên cần thiết để giải quyết phương trình Poisson, từ đó tính toán cường độ điện trường xung quanh đường dây truyền tải HVDC Việc áp dụng đúng các điều kiện biên không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong mô hình hóa mà còn hỗ trợ trong việc đánh giá tác động của cường độ điện trường đối với môi trường xung quanh.
Trong cách tiếp cận này, các dây dẫn được phân tách và tính toán 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
Kết quả phân tích chỉ ra rằng điện trường và mật độ ion theo hướng gió có ảnh hưởng rõ rệt, nhưng khi xem xét trong khoảng thời gian dài, sự ảnh hưởng này trở nên 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 không 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 viết này phân tích điện trường và dòng ion xung quanh các đường dây truyền tải cao áp một chiều (HVDC) Đặc biệt, nghiên cứu sử dụng phương pháp SUPG – FEM để giải quyết bài toán, đồng thời xem xét ảnh hưởng của gió đến các yếu tố này.
SUPG – FEM đã phân tích được các thông số Emax, Jmax và P Các thông 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
Đường dây truyền tải HVDC có nhiều ưu điểm so với truyền tải AC khi vận chuyển điện năng ở khoảng cách xa, đặc biệt là trong việc giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh Sự phát sinh vầng quang và các trường ion hóa từ đường dây HVDC ít hơn đáng kể so với đường dây AC, điều này giúp bảo vệ môi trường tốt hơn trong quá trình truyền tải điện.
Tác giả đã áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết phương trình Poisson và sử dụng phương pháp MOC (Method Of Characteristic) để xác định mật độ phân bố điện tích cũng như cường độ điện trường.
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
Bài báo này trình bày việc áp dụng phương trình Poisson để mô tả trường ion hóa xung quanh đường dây truyền tải HVDC, sử dụng phương pháp cải tiến dựa trên phần tử hữu hạn Các thông số về điện trường và đường đẳng thế được tính toán chính xác, bao gồm cả điện trường tại mặt đất trong điều kiện có và không có điện tích trong không gian Bên cạnh đó, mật độ điện tại mặt đất cũng được phân tích Kết quả thu được cho thấy sự phù hợp với các nghiên cứu trước đây đã được công bố.
NHẬN XÉT
Do điều kiện kinh tế - xã hội và tình hình tiêu thụ điện năng trong nước chưa cao, Việt Nam chưa có công trình truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) Vì vậy, việc nghiên cứu và tính toán điện trường của đường dây HVDC vẫn chưa được triển khai.
Hiện nay, đường dây HVDC đang được khai thác rộng rãi trên toàn thế giới, dẫn đến sự gia tăng đáng kể các nghiên cứu và bài báo về điện trường của loại dây này Với sự phát triển của nhiều công cụ tính toán và các giải thuật hỗ trợ, việc tính toán điện trường đã đạt được độ chính xác cao, giúp giải quyết hiệu quả các vấn đề liên quan.
Việc tính toán điện trường của đường dây truyền tải HVDC là rất quan trọng, góp phần phát triển hệ thống điện và dự báo chính xác tác động đối với con người và môi trường Điều này giúp đưa ra các phương án hiệu quả để giảm thiểu ảnh hưởng của điện trường.
Công nghệ truyền tải điện một chiều cao áp đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, dẫn đến sự gia tăng nghiên cứu về điện trường liên quan Tuy nhiên, nghiên cứu trong nước về lĩnh vực này vẫn còn hạn chế và chưa được quan tâm đúng mức.
Mục tiêu của luận văn này là đề xuất một phương pháp giải quyết bài toán điện trường trong hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method).
Mục tiêu sau khi thực hiện xong luận văn có thể:
- Tìm hiểu về hệ thống đường dây truyền tải cao áp một chiều HVDC
- Nắm vững cơ sở lý thuyết điện trường của đường dây truyền tải HVDC
Nắm vững phương pháp phần tử hữu hạn là rất quan trọng trong việc giải quyết các bài toán kỹ thuật, đặc biệt trong phân tích điện trường của các đường dây HVDC Việc áp dụng phương pháp này cho cả đường dây đơn cực (Monopolar line) và lưỡng cực (Bipolar line) sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu quả truyền tải điện.
- Sử dụng các công cụ mô phỏng (Matlab, comsol, Ansys, …) để mô phỏng điện trường của đường dây HVDC trong các trường hợp khác nhau
- Tìm hiểu một số biện pháp để giảm thiểu ảnh hưởng của trường điện do đường dây HVDC gây ra đối với con người và môi trường xung quanh
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI MỘT CHIỀU HVDC
Ngày nay, công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) ngày càng trở nên phổ biến nhờ vào sự phát triển của công nghệ biến đổi điện cao áp HVDC có nhiều ưu điểm so với truyền tải điện xoay chiều (HVAC), bao gồm tổn thất điện năng thấp khi truyền tải ở khoảng cách xa, khả năng truyền tải công suất lớn và việc sử dụng đất làm đường trở về, cho phép mỗi dây dẫn hoạt động độc lập mà không gặp phải hiệu ứng bề mặt Hệ số công suất duy trì ổn định trên toàn bộ đường dây giúp loại bỏ nhu cầu bù công suất phản kháng và giải quyết các vấn đề về ổn định hệ thống Hơn nữa, HVDC có khả năng kết nối các hệ thống AC với tần số khác nhau Tuy nhiên, truyền tải HVDC cũng gặp phải một số vấn đề như tổn thất công suất và gây nhiễu sóng radio từ đường dây.
Hình 1.1 : Mô hình đường dây Monopolar
Hình 1.2 : Mô hình đường dây Bipolar
Hình 1.3 : Mô hình đường dây Homopolar
Hệ thống truyền tải HVDC bao gồm ba loại chính: Đường dây đơn cực (Monopolar line) sử dụng một dây dẫn mang điện tích dương hoặc âm để truyền công suất, với đất hoặc nước làm đường trở về Đường dây lưỡng cực (Bipolar line) gồm hai dây dẫn mang điện tích dương và âm, hoạt động độc lập với nhau nếu trung tính là đất Trong hệ thống Bipolar, hai dây thường vận hành với dòng điện bằng nhau, giúp duy trì sự ổn định ngay cả khi một dây gặp sự cố, mặc dù chi phí lắp đặt cao hơn so với hệ thống Monopolar.
Dây dẫn homopolar là hệ thống bao gồm hai hoặc nhiều dây dẫn hoạt động cùng một điện cực và luôn sử dụng đất làm đường trở về Khi xảy ra sự cố với một trong các dây dẫn, các trạm đầu cuối vẫn được kết nối với các dây dẫn còn lại, đảm bảo công suất truyền tải được duy trì liên tục Tuy nhiên, cấu trúc đường dây truyền tải này ít được sử dụng trong thực tế do chi phí đầu tư cao và không hiệu quả về kinh tế.
Tính toán tổn thất công suất vầng quang trên đường dây HVDC liên quan đến việc phân bố không gian của điện trường và mật độ điện tích xung quanh vầng quang Các giá trị điện trường và mật độ điện tích tại mặt đất rất quan trọng trong việc đánh giá tác động của đường dây truyền tải HVDC đối với con người và môi trường xung quanh.
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
Vầng quang là hiện tượng phóng điện một phần xảy ra tại lớp không khí gần dây dẫn mà không làm thủng điện trường Hiện tượng này có thể xuất hiện dọc theo chiều dài dây dẫn hoặc tại các khu vực xung quanh những điểm có hình dạng bất thường trên bề mặt dây dẫn điện áp cao.
Khi giá trị điện cao áp trên đường dây đạt đến mức phá hủy không khí, hiện tượng vầng quang xuất hiện xung quanh đường dây truyền tải Lớp vầng quang này, được gọi là lớp ion hóa, bao quanh dây dẫn và có điện trường α lớn hơn điện trường do va đập của các electron (η) Sự sắp xếp của dây dẫn trên đường dây có thể tạo ra lớp ion hóa không đối xứng Tuy nhiên, bề dày của lớp ion hóa thường được bỏ qua trong thực tế vì nó quá nhỏ so với chiều cao của dây dẫn so với mặt đất.
Hình 1.4 : Cấu trúc lớp ion hoá xung quanh dây dẫn
Quá trình phóng điện trong lớp ion hóa phụ thuộc vào độ phân cực của điện áp, với sự khác biệt giữa vầng quang trên dây dẫn mang điện âm và dương.
1.6.1 Vầng quang tại điện cực dương
Khi điện áp của dây dẫn vượt quá giá trị điện áp khởi tạo vầng quang, điện trường xung quanh sẽ tăng cường tốc độ di chuyển của các electron tự do trong lớp ion hóa về phía điện cực dương Những electron này đạt đủ năng lượng để ion hóa các phân tử không khí qua va chạm, tạo ra ion dương và tiếp tục di chuyển dọc theo điện trường, hình thành thác điện tích Quá trình này được kích hoạt bởi các electron mới, được sinh ra từ các photon phát ra từ lõi thác điện tích, dẫn đến sự xuất hiện của các xung ngẫu nhiên dòng điện dương trong hình thức onset streamer.
Khi điện áp cao, các đám mây điện tích âm tập trung gần bề mặt điện cực dương, tạo ra một điện trường gần như đồng nhất giữa vùng điện tích không gian và điện cực Nếu mật độ của đám mây điện tích âm không đủ lớn, phóng điện sẽ không xảy ra và các ion âm sẽ trở thành trung tính tại anode.
Khi điện áp cao, các đường điện trường này ngắn lại và chồng chéo nhau sinh ra sự phóng điện phát sáng tại vùng gần dây dẫn
1.6.2 Vầng quang tại điện cực âm Ở giá trị điện áp khởi tạo và đủ lớn, vầng quang tại điện cực âm dao động nhanh chóng và đều đặn được biết như xung vầng quang Trickle Như đã giới thiệu trong phần trước, các ion âm và electron di chuyển ra khỏi cathode và các ion dương di chuyển theo chiều ngược lại hình thành các thác điện tích
Hình 1.6 : Sự hình thành thác điện tích trong phóng điện vầng quang của dây dẫn mang điện thế âm
GIÁ TRỊ ĐIỆN TRƯỜNG VÀ ĐIỆN ÁP KHỞI TẠO VẦNG QUANG
Sự phóng điện vầng quang xảy ra khi điện trường trên bề mặt dây dẫn vượt quá giới hạn đánh thủng không khí, được xác định theo công thức Peek.
Với dây dẫn đồng trục bán kính R (m), điện trường được xác định
E R x (1.2) Điện trường khởi tạo vầng quang (kV/m) của dây dẫn thẳng bán kính R và đất là:
1.7.1 Điện áp khởi tạo vầng quang của dây dẫn đồng trục
Dây dẫn đồng trục (hình 1.7), điện trường E0 tại bề mặt dây dẫn được xác định như sau:
Hình 1.7 : Cấu trúc dây dẫn đồng trục
V: giá trị điện áp của đường dây
R, r0: bán kính trong và ngoài của dây dẫn đồng trục
Khi đó, bên trong dây dẫn bắt đầu tạo vầng quang với giá trị điện áp tạo vầng quang được xác định như sau:
1.7.2 Giá trị điện áp khởi tạo vầng quang của đường dây đơn Đường dây đơn (Monopolar line) : Hình 1.9 chỉ ra rằng với đường dây bán kính R đặt ở độ cao H so với đất Một điện tích đại diện của đường dây được chỉ ra ở hình B Điểm P(xp, yp), điện thế tại điện tích q được tính như sau:
Hình 1.8 : Mô hình đường dây - đất
2 / ln R q R (1.8) Trong đó R1, R2 được tính như sau:
Với b: chiều cao của điện tích q so với đất
Hình 1.9 : Điện tích đặc trưng tại một điểm của mô hình dây dẫn – đất
Tại điểm P, ta có thể tính giá trị điện trường như sau:
Với H >> R khi đó ta có thể xem R1 = 2H và R2 = R, và b = H
Suy ra giá trị điện trường tại điểm BP được tính như sau:
Giá trị điện áp khởi tạo vầng quang có mối quan hệ chặt chẽ với điện trường trên bề mặt đường dây truyền tải, được thể hiện qua các phương trình liên quan đến điện trường vầng quang.
R gọi là hệ số điện thế Maxwell
1.7.3 Giá trị điện áp vầng quang của đường dây kép Để xác định giá trị điện áp khởi tạo vầng quang cho đường dây kép ta làm như sau:
Tại điểm P bất kỳ có điện tích q, ta xác định điện thế :
Trong đó R1, R2, R3, R4 được tính như sau:
Khi đó, do H >> R và D >> R nên ta có R1 = R, R2 = D, R3 = 2H, và R 4 2H 2 D 2
Khi đó điện tích q được tính như sau:
Hình 1.10 : Điện tích đặc trưng tại một điểm của mô hình dây kép
Thế q và các phương trình trên và sắp xếp lại ta được giá trị điện áp khởi tạo vầng quang như sau:
Bề mặt của các dây dẫn không hoàn toàn nhẵn và có đường kính không đồng đều, dẫn đến việc giảm giá trị điện áp khởi tạo vầng quang Cấu trúc sợi của dây truyền tải cùng với bề mặt không bình thường gây méo dạng vùng ion hóa xung quanh dây dẫn, làm giảm điện áp khởi tạo vầng quang Hiện tượng này được xác định qua hệ số bề mặt dây dẫn trong khoảng 0<