BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU PHÂN
PHA TỚI THAM SỐ ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP VÀ
SIÊU CAO ÁP TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH

NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN
MÃ SỐ:

LÊ CHÍ LINH

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

HÀ NỘI – 2009


1

MỤC LỤC
Lời cam đoan ....................................................................................................... i
Lời cảm ơn ........................................................................................................... ii
Mục lục .................................................................................................................. 1
Mở đầu
1. Sự cần thiết của đề tài ................................................................................. 3
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.................................................... 5
Chương I: Tổng quan về phân pha và ảnh hưởng của nó đến các tham số cơ
bản của đường dây ........................................................................... 7



3

MỞ ĐẦU
1, Sự cần thiết của đề tài.
Lịch sử phát triển của hệ thống điện đã trải qua nhiều thời kỳ khác nhau.
Trong giai đoạn đầu, các nguồn điện là các nguồn điện một chiều, lưới điện
truyền tải điện năng đến các phụ tải cũng là các lưới điện một chiều. Do đó việc
truyền tải điện năng được thực hiện trực tiếp theo cấp điện áp máy phát, vì vậy
việc truyền tải điện năng đi xa bị giới hạn bởi các chỉ tiêu về tổn thất (tổn thất
công suất và tổn thất điện năng) không đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật. Cùng
với việc ra đời của dòng điện xoay chiều và đặc biệt là máy biến áp điện lực vấn
đề đã được giải quyết cơ bản: quá trình truyền tải điện năng đi xa sử dụng máy
biến áp để nâng điện áp truyền tải lên cao đề giảm được tổn thất công suất. Khi
đó truyền tải điện năng bị giới hạn bởi phát nóng của đường dây và yêu cầu điều
chỉnh điện áp ở cuối đường dây. Sau đó cùng với sự phát triển của các phụ tải sử
dụng điện, xuất hiện nhu cầu về các đường dây truyền tải điện liên lạc giữa các
vùng hay giữa các quốc gia với nhau để cung cấp điện có độ tin cậy cao hơn, độ
dự phòng lớn hơn … Điều này làm xuất hiện các đường dây truyền tải điện với
điện áp ngày càng cao (đường dây truyền tải điện cao áp và siêu cao áp) với
khoảng cách truyền tải điện ngày càng dài hơn. Lúc này xuất hiện các vấn đề mới
đối với truyền tải điện năng, đó là: tổn thất vầng quang trên đường dây truyền tải
điện và giới hạn truyền tải công suất theo điều kiện ổn định tĩnh.
Để khắc phục hiện tượng tổn thất vầng quang trên đường dây truyền tải
điện cao áp, người ta đã đề ra nhiều phương án khác nhau. Ta có tổn thất vầng
quang phụ thuộc vào cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn. Trong điều kiện
thời tiết tốt khi cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn đạt đến giá trị cường độ
điện trường khởi đầu thì sẽ xuất hiện phóng điện vầng quang. Từ đây nảy sinh
vấn đề làm sao cho cường độ điện trường E trên bề mặt dây dẫn luôn có giá trị

dây mà trước tiên là điện dung C và điện cảm L của đường dây. Điện kháng điện
dung thay đổi làm ảnh hưởng đến quá trình quá độ và các quá trình năng lượng
của đường dây.


5

Mức dự trữ cách điện của đường dây cao áp và siêu cao áp rất thấp, quá
điện áp nội bộ trở nên nguy hiểm đối với cách điện của đường dây và các thiết bị
khác. Cho nên cần thiết phải nghiên cứu ảnh hưởng của phân pha đến quá điện áp
ở cuối đường dây siêu cao áp khi đường dây vận hành hở mạch và nghiên cứu
quá trình quá độ khi tiến hành đóng cắt đường dây.
Thông số điện cảm và điện dung của đường dây thay đổi kéo theo đó là
thay đổi khả năng tải theo điều kiện ổn định tĩnh. Vấn đề này cũng cần thiết phải
nghiên cứu.
Khi tiến hành phân pha dây dẫn thì diện tích bề mặt của dây dẫn tăng lên
khéo theo đó là tăng khả năng tỏa nhiệt của dây dẫn, một cách định tính có thể
nhận thấy khả năng tải của dây dẫn theo điều kiện phát nóng có thể tăng lên,
nhưng tỷ lệ tăng đó là bao nhiêu chúng ta cũng cần phải nghiên cứu và tính toán.
Việc này là cần thiết trong một số trường hợp dây dẫn được chọn theo phương
pháp tiết diện kinh tế nhưng không thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt.
Một vấn đề nữa cũng đang rất được quan tâm trong hệ thống điện, đó là
vấn đề tổn hao công suất. Luận văn cũng tập trung khai thác ảnh hưởng của phân
pha và điện áp vận hành đến tổn thất công suất trên đường dây 500 kV (bao gồm
cả tổn thất vầng quang và tổn thất công suất trên điện trở R của đường dây) để
đưa ra kiến nghị nhằm giảm tổn thất trên đường dây.
Chính vì các lý do trên tác giả chọn đề tài “Nghiện cứu ảnh hưởng của
kết cấu phân pha tới tham số của đường dây cao áp và siêu cao áp trong quá
trình vận hành” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp cao học của mình.
2, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

A, Trường hợp không có dây chống sét
Cho hệ “3 dây dẫn – đất”. mỗi dây có độ cao treo dây hi, bán kính ri và có
mật độ điện tích trên đơn vị dài τi ( i = 1 ÷ 3 ) (hình 1.3):
d12

2

d23

1
3

h2
h3
D12'

D11'
1'

3'
2'


8

Hình 1.3
Ta có hệ phương trình Maxwell như sau:

⎧ϕ1 = α11τ1 + α12 τ 2 + α13 τ3
⎪


2h
1
ln 3
2πε 0
r3

(1.2)

Và các hệ số thế tương hỗ có trị số:
α12 = α 21 =

1
D
ln 12 '
2πε 0 d12

α 23 = α 32 =

D
1
ln 23'
2πε 0 d 23

α 31 = α13 =

D
1
ln 31'
2πε 0 d 31

Từ đó xác định được điện dung thứ tự thuận của các pha:
τi
ϕi

Ci =

(1.4)

Khi đường dây có hoán vị ta có khái niệm hệ số thế riêng trung bình:
Với ri = r:
α ii =

3 D D D
α11 + α 22 + α 33
1
11' 22 ' 33 '
=
ln
3
2πε 0
r

(1.5)

Do có hoán vị nên vị trí tương đối giữa các pha với nhau cũng sẽ giống
nhau do đó ta có:
α ik =

3 D D D
α12 + α 23 + α 31

2πε 0
D D D
1
ln( 3 d12 d 23d 31 11' 22' 33' )
D12' D 23' D 31'
r

(1.9)

B, Trường hợp có treo 1 dây chống sét.

Khi xét đến dây chống sét hệ phương trình Maxwell trở thành:


10

⎧ϕ1 = α11τ1 + α12 τ 2 + α13 τ 3 + α1S τ S
⎪ϕ = α τ + α τ + α τ + α τ
⎪ 2
21 1
22 2
23 3
2S S
⎨
⎪ϕ3 = α 31τ1 + α 32 τ 2 + α 33 τ 3 + α 3S τ S
⎪⎩ϕS = α S1τ1 + α S2 τ 2 + α S3 τ 3 + α SS τ S

(1.10)

Với:

α α
ϕ
=
α
−
(
)τ1 + (α12 − 1S 2S )τ2 + (α13 − 1S 3S )τ3
11
⎪ 1
αSS
αSS
αSS
⎪
α1Sα 2S
α 22S
α α
⎪⎪
ϕ
=
α
−
τ
+
α
−
(
)
(
)τ2 + (α 23 − 2S 3S )τ3 (1.12)
⎨ 2

⎧ϕ1 = α'11 τ1 + α'12 τ2 + α'13 τ3
⎪
⎨ϕ2 = α'21 τ1 + α'22 τ2 + α'23 τ3
⎪ϕ = α' τ + α' τ + α' τ
31 1
32 2
33 3
⎩ 3

(1.14)

Khi đường dây vận hành đối xứng:

ϕ2 = a 2ϕ1

và ϕ3 = aϕ1

với a = 1∠1200


11

Giải hệ phương trình trên ta có được kết quả τi theo ϕ1 , Từ đó xác định
được điện dung thứ tự thuận của các pha:
Ci =

τi
ϕi

(1.15)


Khi xét đến dây chống sét hệ phương trình Maxwell trở thành:
⎧ϕ1 = α11τ1 + α12 τ 2 + α13 τ 3 + α1S τ S + α1S' τ S'
⎪ϕ = α τ + α τ + α τ + α τ + α τ
21 1
22 2
23 3
2S S
2S ' S'
⎪⎪ 2
(1.19)
⎨ϕ 3 = α 31τ1 + α 32 τ 2 + α 33 τ 3 + α 3S τ S + α 3S' τ S'
⎪ϕ = α τ + α τ + α τ + α τ + α τ
S1 1
S2 2
S3 3
SS S
SS ' S'
⎪ S
⎪⎩ϕS' = α S'1τ1 + α S'2 τ 2 + α S'3 τ 3 + α S'S τ S + α S'S' τ S'

Với:

α ii =

1
2h
ln i ;
2πε0
ri


Điện cảm của đường dây gồm có 2 thành phần:
- Điện cảm của bản thân dây dẫn (internal inductance)
Cho dây dẫn có bán kính r:
Nếu bỏ qua hiệu ứng bề mặt ta có:

dx

Dòng điện chảy trong vùng có bán kính x:
x
I x = ( )2 I
r

x
r

(1.21)

Theo phương trình Maxwell – Ampere:
→

→

→

→

∫ H.d l = ∫ jtp .d s

L

(1.23)

Năng lượng từ trường trong thể tích V giới hạn bởi đoạn đường dây có đáy
là đường tròn bán kính r với chiều cao là h được tính:
1
W = µ ∫ H 2dV
2 V

(1.24)

1
1
1
Như vậy: dW = µH 2dV = µH 2d (h.πx 2 ) = µH 2 2πxhdx
2
2
2

dW = I 2

µh 3
x dx
4πr 4

(1.25)


13

W = I2

L = 0,05.10−3 H / km

(1.29)

- Điện cảm ngoài của đường dây (external inductance)
2

Cho hệ 3 dây dẫn cùng tiết diện:

r

Các dây dẫn được hoán vi nên
Khoảng cách trung bình các pha là D0

D0

3

dx

Dòng điện chảy trong dây dẫn 2, 3 gây ra từ thông sinh ra sức điện động
động tác dụng lên dây dẫn 1 là:

Ψ21 =

D0

∫
r


=
ln
( I3 + I 2 )
2π
r
2π
r
2π
r

µl D0
ln
I1
2π
r

(1.31)

(dấu trừ thể hiện từ thông này gây sụt áp trên dây dẫn 1)


14

Ta cũng có:
Ψ = LI1

(1.32)

như vậy:
L=−

H/km

(1.35)

D0
+ 0,0157
r

Ω /km

(1.36)

L = (0,5 + 4,6 lg
Z L = 0,145 lg
Trong đó:
D 0 = 3 d12d 23d 31

(1.37)

1.3, Điện dung và điện cảm của đường dây ba pha dùng dây phân pha.

Cho phân pha là kết cấu gồm chùm n dây nhỏ có độ cao so với mặt đất là h
(hình 1.4). Khoảng cách giữa hai dây nhỏ lân cận nhau là a, bán kính khung định
vị là R, a và R được liên hệ với nhau qua công thức:
R=

a
π
2 sin
n


Hình 1.4: Kết cấu phân pha
Gọi U, q là điện thế và điện tích trên đơn vị dài của mỗi pha ta sẽ viết được
hệ phương trình Maxwell cho các dây nhỏ mà mỗi chúng đều có điện thế U và
điện tích q/n:
q
⎧
U
(α11 + α12 + α13 + ... + α1n ) = U
=
1
⎪
n
⎪
q
⎪
⎨U 2 = (α 21 + α 22 + α 23 + ... + α 2 n ) = U
n
⎪
q
⎪
⎪⎩U 3 = n (α 31 + α 32 + α 33 + ... + α 3n ) = U

(1.39)

Do khoảng cách giữa các dây nhỏ (lớn nhất là 2R) rất bé so với độ treo cao
của chùm dây nhỏ (h) nên có thể viết gần đúng các hệ số thế riêng và hệ số thế
tương hỗ giữa các dây nhỏ theo công thức:

α ii =

2πε 0 nU
nU
=
α i1 + α i 2 + ... + α in ln( 2h 2h 2h ... 2h )
r0 d1 d 2 d n −1

2πε0 U
2h
ln(
)
n r d d ...d
0 1 2
n −1

(1.41)

Từ đó ta có công thức tính điện dung:
C=

q
=
U ln(

n

2πε0
2h
)
r0 d1d 2 ...d n −1


2π
n

d n −1 = a = 2R sin

(n − 1)π
n

(1.44)


17

π
2π
(n − 1)π
Sẽ được: rdtr = n r0 2R sin ⋅ 2R sin ...2R sin
n
n
n
Với quan hệ:
π
2π
(n − 1)π
n
= n −1
sin ⋅ sin ... sin
n
n
n

L0 = (

D
0,5
+ 4,6 lg 0 )10 −4
n
rdtr

F
m

(1.46)

F
km

(1.47)

H
km

(1.48)

Với D là khoảng cách trung bình giữa các pha khi có xét đến ảnh hưởng
của mặt đất:
D = 3 d12 d 23d 31

D11' D 22 ' D 33'
D12' D 23' D 31'



điện tích trên đơn vị dài của dây dẫn, được xác định theo:
q=C

U 2
;
3

U:

điện áp định mức của đường dây;

C:

điện dung đường dây.

Thay q vào công thức 1.50 ta có:

E=

2
1
U
3 r ln D
r

kVmax/cm

(1.51)


δ=

p:

0,386p
t + 273

là áp suất khí quyển (mm Hg)

t = 400 C

(1.53)


19

p = p 0 (1 − 10 −4 H)
p0 : áp suất khí quyển ở mức nước biển

p0 = 760 mmHg

H:

cao độ so với mức nước biển

H = 1000 m

=>

p = 760(1 − 10 −41000) = 684

mức thì cần thỏa mãn điều kiện:
(1.56)

E < Evq

3.2, Điều kiện để không xảy ra phóng điện vầng quang khi sử dụng dây phân
pha.

Khi sử dụng kết cấu phân pha do các dây nhỏ có ảnh hưởng lẫn nhau nên
điện trường sẽ không đều trên bề mặt các dây nhỏ.
θ

θ
M

r0

r0
1
4
a
o
3
2
r0
r0

θ

θ


E=

S

(1.58)

2
CU sẽ dẫn đến:
3

Thay thế q bởi
E=

q
2πε0 r0 n

2
U
3 nr ln D
0
rdtr

Trong đó:
rđtr - được xác định theo công thức:
rdtr = n n ⋅ r0 ⋅ R n −1
D - khoảng cách trung bình giữa các pha có xét đến ảnh hưởng của mặt
đất: D = 3 d12 ⋅ d 23 ⋅ d13

D11' ⋅ D 22' ⋅ D 33'

E max =

a
π
2 sin
n

2
3 nr ln
0

) n −1 thì của nó sẽ có:

π⎤
⎡ 2(n − 1)r0
+
1
sin
⎢⎣
a
n ⎥⎦

U
D
n

n ⋅ r0 ⋅ (

a
π

m
1
1
+


l

(1.62)

Trong đó:
f: độ võng của dây dẫn
f = hdd – h0
hdd: độ treo cao của dây dẫn của cột
l : chiều dài của khoảng vượt.
Độ treo cao trung bình của dây dẫn được tính theo công thức:
l
2

2
f
4fx 2
1
h tb = ∫ (h 0 + 2 )dx = h 0 + = h dd − f
3
3
l
l −l

(1.63)

2

Tính toán cho 1 khoảng vượt của đường dây 500 kV và 1 khoảng vượt của
đường dây 220 kV.
- Đường dây 500 kV:

= 34

0 ,2

d 12'
m

1'

Hình 1.8 Bố trí dây dẫn tại độ treo cao trung bình đường dây 500 kV
Như vậy độ treo cao trung bình của dây dẫn là:
2
h tb = 27,5 − 17,5 = 15,83
3

(m)

- Đường dây 220 kV một mạch:

Đường dây có bố trí dây dẫn trên cột như phụ lục 1.
Lấy khoảng vượt để tính toán cho toàn tuyến là 300m, độ cao cột là 30m,
độ võng là 6,5m, khoảng cách giữa các pha d là 8 và 6 m, độ cao dây dẫn là
16,5m.
Như vậy độ treo cao trung bình của dây dẫn là:
2
h tb = 16,5 − 6,5 = 12,2
3

(m)


Chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình VB 6.0.
A, Các thông số đầu vào của chương trình bao gồm:

1. Tiết diện tổng của các dây dẫn trong một pha S
2. Số lượng dây phân nhỏ n cần khảo sát: n1 đến n2
3. Khoảng cách 2 dây nhỏ gần nhau a được cho trong khoảng a1 đến a2
4. Bố trí dây dẫn tại độ treo cao trung bình của đường dây (hình 1.3)
- Độ cao của các dây pha: h1, h2, h3
- Khoảng cách giữa các dây pha so với tâm đường dây (thường là dây
pha A, C so với pha B): d1, d2
B, Sơ đồ khối của chương trình: