Bài giảng Thiết kế đường dây và trạm biến áp - Chương 2: Thiết kế đường dây truyền tải - Huỳnh Quốc Việt

Chapter 2 THIẾT KẾ ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 2.1 Các yêu cầu thiết kế đường dây 2.2 Chọn cấp điện áp 2.3 Chọn dây dẫn 2.4 Bố trí dây dẫn 2.5 Vầng quang điện 2.6 Sứ cách điện 2.7 Tải của tổng trở sóng (SIL) 2.8 Thiết kế phần điện 2.9 Sức căng - độ võng 2.10 Trụ điện CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 22.1 Các yêu cầu thiết kế đường dây o An toàn o Kinh tế o Sụt áp cho phép o Hiệu suất cao o Chịu tác động cơ học o Tổn thất vầng quang hợp lý o Có khả năng chịu được CS yêu cầu, tải liên tục, không hư hỏng cơ học CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 32.2 Chọn cấp điện áp o Tổn thất và độ sụt áp trên đường dây phụ thuộc rất nhiều vào điện áp, công suất, và chiều dài đường dây (yêu cầu), thông số đường dây. o Chọn lựa cấp điện áp theo cấp điện thế chuẩn của từng quốc gia. Các điện áp chuẩn thường được dùng là 11 kV, 22 kV, 35 kV, 66 kV, 110 kV, 220 kV, 500 kV, 1000 kV. o Giá cả của đường dây và trang thiết bị như biến áp, máy cắt, sứ cách điện, . tăng nhanh theo cấp điện áp. P l Uđm ? CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 42.2 Chọn cấp điện áp o Vì chưa có sơ đồ nối dây cụ thể, sơ bộ vẽ một số đường dây hình tia nối từ nguồn đến tải ở xa hay có công suất lớn. Cấp điện áp có thể được tính dựa vào chiều dài l (km) và công suất P (kW). 4,34 0,016U l P   0,1 0,015U P l  17 0,001 16 l U P  Công thức Still: kV kV kV Cẩm nang kỹ thuật của Thụy Điển: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 52.2 Chọn cấp điện áp o Bảng thống kê cấp điện áp tính theo P.l (kW.km) U (kV) Tải đường dây P.l (kW.km) 11 24 x 103 33 200 x 103 66 600 x 103 110 11 x 106 220 90 x 106 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 62.2 Chọn cấp điện áp o Bảng thống kê cấp điện áp và chiều dài đường dây U (kV) Chiều dài đường dây (km) Tối thiểu Tối đa 66 40 120 110 50 140 220 100 300 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 72.3 Chọn dây dẫn o Dây dẫn có thể là dây đồng, nhôm, hoặc dây nhôm lõi thép (ACSR). Cấp trung thế thường dùng dây đồng có vỏ cách điện. Cấp cao thế thường dùng ACSR trần. o Dây dẫn được chọn lựa dựa vào khả năng mang tải an toàn, tổn thất, sụt áp, nhiệt độ cho phép, . . o Dây dẫn được chọn cần lấy các thông số như bán kính, số sợi, dòng điện định mức. . CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 82.4 Bố trí dây dẫn o Việc bố trí dây dẫn phụ thuộc vào U và khoảng vượt. Dây dẫn không được chạm vào nhau do độ võng khi có gió hay nhiệt độ thay đổi. o Việc bố trí này cũng ảnh hưởng đến L và C V (kV) Dm (m) 11 1,0 33 1,3 66 2,6 110 5,0 220 10,2 Mối quan hệ giữa điện áp và khoảng cách tương đương giữa các dây pha CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 92.4 Bố trí dây dẫn Một số cách bố trí dây dẫn thông dụng trên trụ điện CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 102.5 Vầng quang điện o Khi điện thế trên dây dẫn tăng tới giới hạn thì sẽ xuất hiện trên bề mặt dây dẫn ánh sáng màu tím nhạt và âm thanh. Hiện tượng này gọi là vầng quang. Dọc đường dây Tại chuỗi sứ cách điệnCuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 112.5 Vầng quang điện o Ở điện thế giới hạn (điện trường giới hạn), không khí bao quanh dây dẫn bị ion hóa mạnh do vạ chạm và coi như dẫn điện, làm cho dây dẫn trở nên có điện trở lớn hơn. Do đó, tổn hao đường dây tăng lên. o Sự xuất hiện vầng quang phụ thuộc chủ yếu vào cường độ điện trường cục bộ trên bề mặt dây dẫn. Điện trường này bị ảnh hưởng bởi điều kiện bề mặt của dây dẫn: độ nhám, ẩm ướt, CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 122.5 Vầng quang điện o Điện áp pha (hiệu dụng) phát sinh vầng quang. 0 021,1 ln mDU m r r   kV Trong đó • m0: hệ số dạng của bề mặt dây • r: bán kính dây (cm) • Dm: khoảng cách trung bình giữa các pha (cm) Dây m0 Láng bóng 1 Nhám 0.92< m0 <0.94 Bện nhiều sợi 0.82 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 132.5 Vầng quang điện 3,92 273 b t    • : mật độ không khí b: áp suất không khí, cmHg t: nhiệt độ (0C) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 142.5 Vầng quang điện o Tổn thất vầng quang khi thời tiết tốt (công thức kinh nghiệm):     2 5 0 241 25 10c m r P f U U D     (kW/pha/km) (kW/pha/km) Hạn chế của công thức:     0 25 120 Hz , 0, ,8 5 1 2f r cm U U     o Tổn thất vầng quang khi thời tiết xấu     2 0 5241 25 10 0,8c m U r P f U D     CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 152.5 Vầng quang điện o Khi , tổn thất vầng quang được tính 6 2 2 21 10 ln c m f U P F D r            (kW/pha/km) 0 1,8 U U  Trong đó, F là hệ số thay đổi theo tỷ số U/U0 gần đúng như sau U/U0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 F 0,012 0,018 0,05 0,08 0,3 1,0 3,5 6,0 8,0 o Trong thiết kế cần hạn chế tổn thất vầng quang ở giá trị: 0,6 / / 3cP kW km pha - Tăng kích cỡ dây dẫn - Dùng dây chùm CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 162.5 Vầng quang điện Bài tập 2.1: Tìm tổn hao vầng quang của đường dây 3 pha dài 100 km với dây dẫn đường kính 20 mm và bố trí tam giác đều, khoảng cách trung bình giữa các pha là 8 m. Điện áp dây là 240 kV, tần số 50 Hz, dây sạch và nhẵn, áp suất không khí là 75 cmHg và nhiệt độ không khí là 30ºC. ĐS: U0 = 136,69 kV Pc = 0,024 kW/pha/km P = 7,2 kW CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 172.6 Sứ cách điện o Sứ cách điện được thiết kế và sản xuất cho cấp điện thế nhất định. o Điện thế tối đa cho mỗi sứ là 35 kV. o Các dạng sứ thường gặp: sứ đỡ, sứ treo, sứ căng. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 182.6 Sứ cách điện o Sứ đỡ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 192.6 Sứ cách điện o Sứ treo CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 202.6 Sứ cách điện o Sứ căng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 212.6 Sứ cách điện o Sự phân bố điện thế của sứ treo: Khi có điện áp xoay chiều đặt vào chuỗi sứ, thì điện áp trên các bát sứ không bằng nhau do dòng điện dung không bằng nhau trên suốt chuỗi sứ. Ngoài điện dung giữa các bát sứ còn có điện dung giữa bát sứ với trụ, xà, dây dẫn. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 222.6 Sứ cách điện o Trường hợp 1: bỏ qua ảnh hưởng của điện dung giữa chỗ nối bát sứ và dây dẫn • Gọi điện dung giữa các bát sứ là C, điện dung giữa chỗ nối bát sứ và trụ là C/4. • Gọi u là điện áp trên bát sứ 1 – 2, cũng là điện áp đặt trên 2 – a. C / 4C      a b c Dây pha Xà Trụ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 232.6 Sứ cách điện C / 4C      a b c • Dòng điện và điện áp: 2 1 2 3 2 3 2 3 3 4 3 4 3 4 4 5 4 4 3 4 5 5 4 4 5 9 9 4 4 16 29 29 16 16 65 65 16 64 181 181 64 64 a b b c c I j Cu j C I u j C I u u u j C u u u u I u j C I u u u j C u u I u j C I u u u                                       Điện áp của chuỗi sứ: 5 29 181 1 4 16 64 441 64 u u          14.5% 18.1% 26.3% 41.1% Xà Trụ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 242.6 Sứ cách điện o Trường hợp 2 • Gọi điện dung giữa các bát sứ là C, điện dung giữa chỗ nối bát sứ và trụ là C/4; điện dung giữa khớp nối bát sứ và dây dẫn C/8 • Gọi U là áp của chuỗi sứ, u là áp của bát sứ 1 – 2 • Tính toán có kết quả: C / 4C      a b c 21 0,232U u U  32 43 54 0,193 0,228 0,347 U U U U U U    / 8C Xà Trụ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 252.6 Sứ cách điện o Bát sứ gần dây dẫn nhất sẽ chịu điện thế lớn nhất. Dẫn đến hạn chế điện thế làm việc của đường dây. o Nếu điện áp đỉnh của đường dây so với đất là E, điện thế định mức lớn nhất của bát sứ là e, số lượng bát sứ là n thì hiệu suất chuỗi sứ là: % 10 30%0 E e n     CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 262.6 Sứ cách điện o Số lượng bát sứ: phụ thuộc vào mức điện áp và sự phân bố điện áp lên chuỗi sứ. Thiết kế có thể dựa vào tiêu chuẩn mỗi bát sứ chịu tối đa 35 kV. o Bảng tham khảo Điện thế kV Số lượng bát sứ 66 5 110 8 132 10 166 12 230 16 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 272.7 Tải tổng trở sóng o Khi đường dây truyền tải hòa hợp tải (phối hợp trở kháng giữa tổng trở tải và tổng trở sóng đường dây) thì dòng điện đầu nhận là: N N C U I Z  o Tải tương ứng với tổng trở sóng ở cấp điện áp định mức gọi là tải tổng trở sóng (surge impedance loading) 2 * 33 NN N C U SIL U I Z    o Tải tổng trở sóng có hệ số công suất là 1 có thể coi như tải được phân phối bởi đường dây không có điện trở. Tổn thất công suất phản kháng trên L được bù hoàn toàn bởi công suất phản kháng phát ra trên C. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 282.7 Tải tổng trớ sóng SIL Không tải Tải định mức Đầu phát Đầu nhận kV km CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 292.8 Thiết kế phần điện Các bước cơ bản: • Chọn điện áp, chọn dây dẫn và bố trí dây • Tính các hằng số đường dây và độ sụt áp • Tính hiệu suất khi đầy tải • Tính tổn thất vầng quang • Tính dòng điện dung khi đường dây không tải • Chọn số bát sứ, điện áp trên mỗi bát sứ • Tìm công suất tải tối đa trên đường dây từ tổng trở sóng • Tính lượng bù cần thiết để nâng cao hệ số công suất • .. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 302.8 Thiết kế phần điện Bài tập 2.2: Thiết kế đường dây ba pha 50Hz công suất tải 85 MW cosφ = 0.9(trễ) có chiều dài 160 km. Độ sụt áp nhỏ hơn 12.5% điện áp đầu nhận, hiệu suất 95% và tổn thất vầng quang nhỏ hơn 0.6 kW/km. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 312.9 Sức căng – độ võng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 322.9 Sức căng – độ võng o Tải cơ giới: - Trọng lượng dây dẫn theo phương thẳng đứng - Tác dụng của gió theo phương nằm ngang o Khoảng vượt: khoảng cách giữa các cột o Độ võng: độ chùn xuống của dây dẫn do tải cơ giới o Sức căng: lực kéo tác dụng lên dây dẫn *** Có mối liên hệ giữa khoảng vượt, độ võng và sức căng A B Độ võng Khoảng không tối thiểu Trọng lượng dây Gió Khoảng vượtCuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 332.9 Sức căng – độ võng 2 316 10 v a k d v G      (kg/m) vG W 'W  Vận tốc gió (m/s) a v<20 1 20 <v<25 0.85 25 <v<30 0.75 v>30 0.7 a: hệ số không đồng đều của gió phụ thuộc vào vận tốc gió v (m/s) k: hệ số động lực không khí phụ thuộc vào đường kính dây: 1.1 đến 1.2 d: đường kính dây (mm) Tải cơ giới o Giả thiết phụ tải cơ giới phân bố đều dọc theo dây dẫn o Tải trọng của gió trên 1 m dây: (gió/m) (trọng lượng/m) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 342.9 Sức căng – độ võng (kg/m) 30.6 10vG p d     Vận tốc gió (m/s) P (kg/m2) 15 30 25 80 30 120 45 250 p: áp lực gió kg/m2 vG W 'W  o Tải trọng của gió còn được tính theo cách khác: d: đường kính dây (mm) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 352.9 Sức căng – độ võng o Tải trọng tổng hợp trên 1 m dây: 2 2 2' W1 vv G W W G W m W            o Chia hai vế cho tiết diện dây là F tỷ tải 22 ' 2 2' v v GW W g g g F F F                Tỷ tải tổng hợp Tỷ tải do tải trọng của gió Tỷ tải do trọng lượng dây dẫn (kg/(m × mm2)) m: hệ số gia trọng vG W 'W  (gió/m) (trọng lượng/m) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 362.9 Sức căng – độ võng Quan hệ giữa độ võng và sức căng 1x B A h f s ds xT yT T  ,P x y (0,0)O 12l x 2l H  H là thành phần ngang của lực căng T là lực căng dây tại P  là góc tiếp tuyến với dây dẫn tại P so với trục hoành ds là gia số chiều dài dây dẫn W×s trọng lượng dây dẫn đoạn OP, lực hướng xuống tại trung điểm OP.CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 372.9 Sức căng – độ võng o Khi cân bằng ta có:     2 2 2 2 2 1 ; W t n 1 1 a x y y x ds dx dy ds dy H W s dx dx H ds dx W s H T T W s Tdy s dx T H                                    2 1 1 1 sinh ds dx W s H H W s x C W H                    Tại O: x = 0; s = 0 1 0C  1sin sinh h H W s x W H H W x s W H                 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 382.9 Sức căng – độ võng 2 sinh sinh sinh cosh dy W s W x dx H H W x dy dx H W x dy dx H H W x y C W H                                 Tại O: y = 0; x = 0 2 H C W    cosh 1 H W x y W H             o Khi cân bằng ta có: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 392.9 Sức căng – độ võng o Lực căng T được tính:   22 2 2 2 2 2 2 2 2 sinh cosh x yT T T H W s W x W x H H H H H                     cosh W x T H H         o Các phương trình được đóng khung cho thấy mối quan hệ giữa chiều dài, lực căng tại P với tọa độ của điểm P và lực căng ngang tại O CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 402.9 Sức căng – độ võng o Từ các công thức ta xác định: 1 1 1 cosh 1x x xWH yy W H               1( 1 2 2 ) 2 cosh 1 x l x l xWH y W H y                  1 2 1 2 sinh sinh W l xH W l y y W H h H               1 1 sinh 2 sinh H h W x l W lW H H                   CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 412.9 Sức căng – độ võng o Trường hợp trụ A và B cùng chiều cao, khoảng vượt 2l = S, nửa khoảng vượt l thì 2 sinh H W l L W H        cosh 1 H W l f W H            cosh W l T H H        • Chiều dài dây trong 1 khoảng vượt • Độ võng • Sức căng ở đầu trụ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 422.9 Sức căng – độ võng o Tính sức căng và độ võng theo phương trình parapol của đường cong treo dây. 0h f A B O 'O 2S l y x CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 432.9 Sức căng – độ võng o Tính sức căng và độ võng theo phương trình parapol của đường cong treo dây: chiều dài dây trong 1 khoảng vượt 3 2 3 2 3 22 2 1 sinh 3! 2 2 3 3 2 W l W l W l H H H W l W l l l H H H H L W W F F                                     Ứng suất dây ở O Tỷ tải do trọng lượng dây Trong đó 2 0 W , (kg/mm ) H g F F   3 2 2 024 S g SL     CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 442.9 Sức căng – độ võng o Tương tự: khai triển phương trình độ võng f 2 4 3 3 0 0 2 0 2 24 2 l g l g f l g         2 02 gx y    Phương trình của đường dây treo có dạng gần đúng parapol với trục hoành đi qua điểm thấp nhất O (qua 2 điểm O và đỉnh trụ) 2 08 S g f    CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 452.9 Sức căng – độ võng o Chú ý: khi có gió thì có tỷ tải do tải trọng gió nên ta phải tính độ võng trong mặt phẳng nghiêng (f’) sau đó suy ra độ võng trong phương thẳng đứng 2 0 ' ' 8 S g f   'cos W cos W ' f f     f 'f  vG W 'W  CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 462.9 Sức căng – độ võng Bài tập 2.2: Cho đường dây đồng có khối lượng riêng 8,9 g/cm3 và đường kính 1 cm. Khoảng vượt của đường dây là 200 m và ứng suất tại O là 2000 kg/cm2. Tính độ võng của đường dây biết tải trọng của gió là 0,4 kg/m và 2 trụ có cùng độ cao. ĐS: f = 2,23 m CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 472.9 Sức căng – độ võng Phương trình trạng thái o Với nhiệt độ khác nhau thì phụ tải cơ giới cũng khác nhau nên ứng suất dây dẫn cũng khác nhau. o Giả thiết: tại nhiệt độ θ1 dây dẫn có tỷ tải g1 và ứng suất σ1 nên độ dài dây khoảng vượt là: 23 1 1 2 124 gS l S    o Xét tại nhiệt độ θ2 dây dẫn có tỷ tải g2 và ứng suất σ2 nên độ dài dây khoảng vượt là 3 2 2 2 2 224 l gS S    CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 482.9 Sức căng – độ võng o Gọi α là hệ số nở dài theo nhiệt độ của kim loại, E là mô đun đàn hồi của kim loại nên hệ số đàn hồi β = 1/E. l2 được tính:    2 1 2 1 2 11 1l l                               2 1 2 1 2 1 2 23 3 1 1 2 1 2 12 2 1 1 23 1 2 1 2 12 1 1 24 24 24 l l g gS S S S gS S S                                                     <<0) ,  <<0)     23 1 2 1 2 12 1 23 2 2 224 24 gS S gS S S                  CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 492.9 Sức căng – độ võng o Chia hai vế cho S:     2 2 1 2 1 2 12 1 2 2 2 2 2 2424 S gS g             2 2 2 2 2 2 2 1 1 12 1 2 2 2424 S S gg                 2 2 1 1 1 2 2 2 2 2 1 2 2 224 24 g Sg S E E              o Nhân 2 vế cho (/) và chú ý  = 1/E: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 502.9 Sức căng – độ võng 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 2 124 24 g S E g S E             o Cho 1, g1, 1, 2, g2 tính 2: • Từ phương trình trạng thái 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 12 1 ( ) 24 24 S g E S g E E                  • Giải phương trình bậc 3 bên trên để tìm nghiệm gần đúng 2. Tư đó ta có thể tính được độ võng. 2 2 2 28 S g f    CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 512.9 Sức căng – độ võng Bài tập 2.3: Cho đường dây cáp đồng tiết diện 38 mm2 có khoảng vượt 200 m, trong điều kiện nặng nề nhất ở nhiệt độ 15ºC, có gió với hệ số gia trọng m =1,94, ứng suất đạt cực đại 10 kg/mm2. Hãy: a) Xác định ứng suất khi nhiệt độ 15ºC không gió b) Độ võng lớn nhất ở 60ºC Thông số cáp: -Tỷ tải do trọng lượng: 0,00906 kg/ (m.mm2) - Hệ số nở dài : 0,000016 1/ºC - Môđun đàn hồi E = 10 kg/mm2 ĐS: a) 2 = 5,4 kg/mm 2 b) f2 = 8,8 m CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 522.10 Trụ điện o Trụ có thể được làm bằng gỗ hoặc thép hoặc bê tông cốt thép. o Trụ có thể là trụ mạch đơn hoặc trụ mạch kép o Đối với đường dây truyền tải, trên trụ có bố trí dây chống sét (dây đất) để bảo vệ sét đánh trực tiếp vào đường dây truyền tải. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt