Nghiên cứu điện trường đường dây cao áp 220 KV với các dạng kết cấu khác nhau

NGHIÊN CỨU ĐIỆN TRƯỜNG ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP 220 KV VỚI CÁC DẠNG<br /> KẾT CẤU KHÁC NHAU<br /> <br /> TS. Nguyễn Hữu Kiên<br /> Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Điện cao áp-Viện Năng lượng-Bộ Công Thương<br /> <br /> I - MỞ ĐẦU Từ đây ta sẽ xác định được sự phân bố điện<br /> Sự phát triển của hệ thống điện (HTĐ) thế, ĐT và xác định điện dung của hệ “3 dây<br /> cũng không tránh khỏi sự tác động của nó - đất”.<br /> đối với môi trường, môi sinh. Đối với thiết 2. Điện dung của hệ “3 dây - đất” có dây<br /> bị điện và các đường dây (ĐD) truyền tải pha bố trí bất kỳ<br /> cấp điện áp càng cao, sự tác động của chúng Xét một hệ “3 dây - đất”, mỗi dây có<br /> đối với môi trường xung quanh càng thể độ treo cao hi, bán kính ri và có điện tích<br /> hiện rõ nét. Ở đây vấn đề được dư luận và trên đơn vị dài qi (i = 1, 3) như trên hình 1.<br /> công chúng quan tâm chính là ảnh hưởng Đối với các đường dây tải điện ba pha<br /> của điện trường (ĐT) đối với môi trường, dòng điện xoay chiều có dây dẫn bố trí theo<br /> môi sinh. sơ đồ đầu cột bất kỳ thì điện dung làm việc<br /> Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã CA, CB, CC hay C1, C2, C3 của các pha được<br /> tiến hành nghiên cứu điện trường đường dây xác định trên cơ sở giải hệ phương trình<br /> cao áp 220kV với các dạng kết cấu khác Maxwell.<br /> nhau. U1 = α11q1 + α12q2 + α13q3<br /> II- LÝ THUYẾT TÍNH ĐIỆN U2 = α21q1 + α22q2 + α23q3 (1)<br /> DUNG ĐD VỚI CÁC DẠNG KẾT CẤU U3 = α31q1 + α32q2 + α33q3<br /> KHÁC NHAU & ẢNH HƯỞNG CỦA Trong đó αii , αik là các hệ số thế riêng<br /> DÂY CHỐNG SÉT ĐẾN ĐIỆN DUNG và thế tương hỗ giữa dây thứ i và dây thứ k,<br /> CỦA ĐD. được xác định theo các công thức tổng quát<br /> 1. Lý thuyết tính toán điện dung của sau:<br /> đường dây 220kV. 1 2.h 1 D,<br /> Điện dung của ĐD và đất được xác α ii = ln i ; α ik = ln ik<br /> định từ bài toán phân bố ĐT trong môi 2πε 0 ri 2πε 0 d ik<br /> trường không đồng nhất (vì có một nửa Trong trường hợp biết trước các giá trị<br /> không gian là không khí và một nửa còn lại điện thế U1, U2, U3 giải hệ phương trình 3 ẩn<br /> là đất). Không khí là môi trường cách điện ta có thể xác định được đại lượng điện tích<br /> nên điện dẫn suất γk≈10-18(1/Ω.cm), còn đất trên các dây dẫn.<br /> là môi trường dẫn điện, có điện dẫn suất<br /> γk=107(1/Ω.cm) lớn gấp triệu lần so với<br /> không khí.<br /> Như vậy so với không khí mặt đất vẫn<br /> được xem là mặt phẳng dẫn điện lý tưởng<br /> mà các đường sức ĐT khi tới mặt đất buộc<br /> phải vuông góc với nó (tại mặt đất ĐT<br /> không có thành phần tiếp tuyến do mặt đất<br /> là mặt đẳng thế và có thế bằng zêro). Dùng<br /> phương pháp soi gương các điện tích ta sẽ<br /> có được sự phân bố ĐT trong miền không<br /> khí.<br /> + Lấp kín miền đất bằng miền không khí có<br /> hằng số điện môi là ε.<br /> + Soi gương điện tích và đổi dấu.<br /> <br /> <br /> <br /> 1<br />  Trên các pha này có các điện tích qA,<br /> 2<br /> d 12 q 2, r 2 qB, qC (ứng với đơn vị chiều dài) và trên ảnh<br /> của chúng sẽ có các điện tích -qA, -qB, -qC.<br /> 1 Ở những điểm khác nhau tương ứng với vị<br /> q 1, r1<br /> h2 trí làm việc của công nhân thế tác động lên<br /> 3<br /> người sẽ khác nhau.Vì vậy, đường đặc tính<br /> h1 q 3, r3 phân bố ĐT trong hành lang dưới ĐD cũng<br /> D 12' h3 như đường bao ĐT dọc theo khoảng cột<br /> được xác định tại các điểm khác nhau và ở<br /> các độ cao khác nhau tương đương với độ<br /> cao người đứng làm việc. Các điện tích qA,<br /> h1 qB, qC được xác định từ điện áp tức thời ở<br /> 3' các pha có xét đến khi điện áp lưới tăng<br /> 10%:<br /> 2<br /> ( )<br /> 1'<br /> q C = C 0 .u C = 1,1 C 0 .U . sin ω t − 120 0<br /> 3<br /> 2' 2<br /> q A = C0 .u A = 1,1<br /> 3<br /> (<br /> C0 .U . sin ωt + 1200 ; )<br /> Hình 1: Điện dung của hệ “3 dây - đất” có<br /> dây pha bố trí bất kỳ (thứ tự 1, 2, 3 tương 2<br /> qB = C0 .uB = 1,1 C0 .U. sin ωt<br /> ứng với thứ tự pha A, B, C) 3<br /> Trong chế độ ba pha đối xứng hệ Xét sơ đồ hình 2. Thế ở một điểm P<br /> phương trình (1) có thể viết dưới dạng ký bất kỳ do dây dẫn mang điện của ba pha gây<br /> hiệu, trong đó tỷ lệ dạng số phức giữa điện nên bằng tổng hình học của thế do từng pha<br /> q gây nên.<br /> tích và điện áp mỗi pha i ; (i = 1,3) , chính là<br /> Ui<br /> D B<br /> điện dung làm việc của mỗi pha tương ứng.<br /> Dx<br /> qA 1 DB<br /> C0 = = , thay thế các giá trị của A<br /> DA C<br /> U A α ii − α ik<br /> DC<br /> αii , αik vào ta có:<br /> H2 P<br /> H1<br /> <br /> 2π .ε 0 ;<br /> D D<br /> C0 =<br /> hP<br /> <br /> 1 D , .D , .D , <br /> ln 3 d12 d 23 d 31 . 11 22 33 <br /> r D12, .D23, .D31, <br />   D'C<br /> D'A<br /> Từ công thức trên ta có điện dung thứ<br /> tự thuận của ĐD phân pha là:<br /> A' C' D'B<br /> 2π .ε 0 2π .ε 0 x<br /> C0 = = ;<br />  1 D11 .D22 .D33  3 d 12 d 23 d 31 D12, .D23, .D31,<br /> ln  3 d 12 d 23 d 31 .  ln − ln 3<br />  rdt D12, .D23, .D31,  rdt D11 .D22 .D33<br />   B'<br /> <br /> (2) Hình 2: Sơ đồ tính thế tác động lên người<br /> III - TÍNH TOÁN & XÁC ĐỊNH SỰ tại độ cao hp theo mặt cắt vuông góc với<br /> PHÂN BỐ ĐIỆN TRƯỜNG Ở MỘT ĐỘ ĐDK 220kV một mạch<br /> CAO BẤT KỲ BÊN DƯỚI ĐƯỜNG Cụ thể thế do các pha A, B, C gây nên là:<br /> DÂY 220KV VỚI CÁC DẠNG KẾT CẤU qA D' qB D'<br /> ϕA = ln A ; ϕB = ln B ;<br /> KHÁC NHAU. 2πε 0 D A 2πε 0 DB<br /> 1. Tính toán phân bố điện thế bên qC D'<br /> dưới đường dây cao áp 1 mạch. ϕC = ln C . Kết quả chúng ta nhận được<br /> 2πε 0 DC<br /> Xét ĐD 1 mạch trường hợp khi dây<br /> biểu thức tính thế tác động lên người tại<br /> dẫn các pha được bố trí như trên hình 2.<br /> điểm ở độ cao đầu người hP là:<br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> ϕP =<br /> 1,1. 2C 0 .U f  D' D' D' <br /> sin (ωt + 120 ). ln A + sin ωt. ln B + sin (ωt − 120 ). ln C <br /> Từ số liệu trong hình 3.1a, ta thấy với<br /> 2 3πε o <br /> <br /> D A D B DC <br />  khoảng cách pha 4,0m, khi dây dẫn có độ<br /> Vì điện thế tại mặt đất bằng zêro, do đó ta treo cao trung bình giảm dần từ 11,5 m đến<br /> có giá trị E tại điểm người đứng ở độ cao hP 7m. Giá trị E giảm dần và luôn 5kV/m. Phạm phù hợp với quy định ngành (TCN-03-92)<br /> vi ảnh hưởng của ĐT được xác định cho khi ĐD 220kV đi qua các vùng dân cư.<br /> toàn bộ chiều dài tuyến truyền tải là khoảng 4<br /> E[kV/m]<br /> Eh=7 Eh=7,5<br /> <br /> <br /> cách từ tâm ra 2 phía. Qua kết quả tính toán 3,5<br /> <br /> <br /> 3<br /> Eh=8<br /> Eh=9<br /> Eh=8,5<br /> Eh=9,5<br /> <br /> <br /> ở trên đã xây dựng được những cơ sở số liệu 2,5<br /> Eh=10<br /> Eh=11<br /> Eh=10,5<br /> Eh=11,5<br /> <br /> <br /> ban đầu về phạm vi ảnh hưởng của ĐT. Đây 2<br /> Eh=12<br /> Eh=13<br /> Eh=12,5<br /> Eh=13,5<br /> <br /> <br /> là một bộ cơ sở dữ liệu khoa học để tham 1,5<br /> <br /> 1<br /> <br /> khảo áp dụng cho HTĐ cao áp của Quốc gia 0,5<br /> <br /> <br /> và bổ sung cho Nghị định 54/1999 ngày 0<br /> -30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30<br /> <br /> <br /> 08/07/1999 của chính phủ về bảo vệ an toàn<br /> x[m]<br /> H×nh 3.1a: Ph©n bè ®iÖn tr−êng d−íi §DK 220kV mét m¹ch,<br /> theo ®é cao d©y vµ kho¶ng c¸ch tõ tim tuyÕn.Ph−¬ng ¸n Dx=6,5m; D=4,0m<br /> <br /> lưới điện cao áp. Tuy nhiên để tăng công suất truyền tải của<br /> Kết quả tính toán lý thuyết được thực các ĐDK220kV, hiện nay đã vận hành và<br /> hiện với những sơ đồ cột điển hình và giả đang xây dựng các ĐD220kV 2 mạch phân<br /> thiết mặt đất phía dưới ĐD là mặt phẳng lý pha. Có thể tiến tới sử dụng 4 sợi trong mỗi<br /> tưởng, ε0 của không khí gần bằng với chân pha.<br /> không, trên đó không có các đối tượng làm 2. Tính toán phân bố điện thế bên<br /> méo các đường phân bố ĐT. Đối với ĐD dưới ĐD cao áp 2 mạch<br /> 220kV phạm vi ảnh hưởng của ĐT phụ Trong trường hợp ĐD 2 mạch, ta phải<br /> thuộc vào rất nhiều yếu tố như : độ cao của xác định thế do từng mạch gây nên tại điểm<br /> dây dẫn so với mặt đất, khoảng cách pha, người đứng, sau đó tính thế tổng do 2 mạch<br /> địa hình, điều kiện thời tiết môi trường v.v gây nên theo phép cộng vectơ:<br /> ϕ P = ϕ1 + ϕ 2 ; với ϕ1 ,<br /> xC2<br /> <br /> <br /> C1<br /> ϕ2 lần lượt là vectơ<br /> C2<br /> <br /> Dx<br /> D3<br /> DC1<br /> D C2<br /> xB2<br /> điện thế do mạch 1 và 2 gây nên tại điểm<br /> B1<br /> <br /> D2<br /> B2<br /> <br /> D B2<br /> người đứng.<br /> Dx<br /> D B1 xA2 Xét một ĐD 2 mạch với sơ đồ cột có 3 tầng<br /> A1<br /> <br /> D A1<br /> A2<br /> <br /> DA 2<br /> xà. Dây dẫn các pha của mỗi mạch được bố<br /> trí thẳng hình tháp, dọc ở 2 bên của cột, như<br /> D1 P<br /> H<br /> hp<br /> r r r r<br /> 0<br /> D'A2<br /> trên hình 3. ϕ 1 = ϕ A1 + ϕ B1 + ϕ C1 ;<br /> D'A1<br /> r r r r<br /> A'1<br /> A'2 ϕ 2 = ϕ A 2 + ϕ B 2 + ϕ C 2 . Thế tại điểm P là:<br /> r r r r r r r<br /> ϕ P = (ϕ A1 + ϕ A2 ) + (ϕ B1 + ϕ B 2 ) + (ϕ C1 + ϕ C 2 )<br /> xA1<br /> D'B1 D'B2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Kết quả chúng ta nhận được biểu thức tính<br /> B'1 D'C1 B'2<br /> D'C2 xB1<br /> <br /> C'1 C'2 thế tác động lên người tại điểm P ở độ cao<br /> xC1<br /> đầu người hP là:<br /> Hình 3: Sơ đồ tính thế tác động lên người C 0 .U f   D A' 1 D A' 2   D' D'   D' D'<br />  + a ln C1 . C 2<br /> <br /> <br /> ϕ& P = ln .  + a 2 ln B1 . B 2<br /> tại độ cao hp theo mặt cắt vuông góc với ĐD 2πε o   D A1 D A 2   DB1 DB 2   DC1 DC 2<br /> <br /> <br /> 220kV hai mạch hình tháp. ϕP =<br /> 1,1 2C0U f   DA' 1 DA' 2 <br /> sin(ωt + 120) ln<br />  D' D'   D ' D ' <br />  + sin ωt ln B1 B 2  + sin(ωt − 120) ln C1 C 2 <br /> 2 3πε o   DA1 DA2   DB1 DB 2   DC1 DC 2 <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3<br /> Kết quả tính toán ta sẽ thu được giá trị các E[kV/m]8<br /> <br /> thông số ảnh hưởng của ĐT đối với con 7-8<br /> 6-7<br /> 7<br /> 6<br /> 5<br /> người khi đứng dưới ĐD220kV 2 mạch: 5-6<br /> 4-5<br /> 4<br /> 3<br /> 2<br /> 3-4 1<br /> 0<br /> 2-3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -30<br /> E[kV/m]<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -27<br /> -24<br /> -21<br /> -18<br /> -15<br /> 5<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -12<br /> -9<br /> -6<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 150<br /> -3<br /> 0<br /> 1-2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 185<br /> 6<br /> Ehmin=7 Ehmin=8 Ehmin=9 Ehmin=10<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 9<br /> 12<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 220<br /> 15<br /> 18<br /> 21<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 255<br /> 24<br /> 27<br /> 4 Ehmin=11 Ehmin=12 Ehmin=13 Ehmin=14<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 30<br /> x[m] y[m]<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 290<br /> 0-1<br /> Ehmin=15 Ehmin=16 Ehmin=17 Ehmin=18<br /> 3 Ehmin=19 H×nh 3.2f: Ph©n bè ®iÖn tr−êng trong nöa kho¶ng cét d−íi §DK 220kV 2 m¹ch,<br /> 2 (n=4) ph©n pha 4x300mm2.Ph−¬ng ¸n Dx=6,5m; D1=4,8m; D2=4,5m; D3=4,2m<br /> <br /> 1<br /> 0<br /> 5-5,5 E[kV/m] 5,5<br /> 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 5,0<br /> x[m] 4,5-5 4,5 A2<br /> 4,0 C1<br /> H×nh 3.2a: Ph©n bè ®iÖn tr−êng d−íi §DK 220kV 2 m¹ch, kh«ng ph©n pha 4-4,5 3,5<br /> 3,5-4 3,0 B1 B2<br /> theo ®é cao d©y vµ kho¶ng c¸ch tõ tim tuyÕn. Ph−¬ng ¸n Dx=6,5m; D1=4,8m; D2=4,5m; D3=4,2m 2,5<br /> 3-3,5 2,0 A1 C2<br /> 1,5<br /> 2,5-3 1,0<br /> E[kV/m] 0,5<br /> 7 2-2,5<br /> 0,0<br /> 1,5-2 -30 -25<br /> 6 Ehmin=7 Ehmin=8 Ehmin=9 Ehmin=10<br /> 1-1,5 -20 -15<br /> Ehmin=11 Ehmin=12 Ehmin=13 Ehmin=14 -10 -5<br /> C1 C2 0<br /> 5 Ehmin=15 Ehmin=16 Ehmin=17 Ehmin=18 0,5-1 5 10 15<br /> x[m] 20 y[m]<br /> Ehmin=19 B1 B2 0-0,5 25<br /> 4 30<br /> A1 A2 H×nh 3.2g: Ph©n bè ®iÖn tr−êng trong nöa kho¶ng cét d−íi §DK 220kV 2 m¹ch,<br /> 3<br /> (n=2) ph©n pha 2x300mm2. Ph−¬ng ¸n, (tr−êng hîp thø tù pha 2 m¹ch ng−îc nhau).<br /> 2<br /> <br /> 1<br /> 1.4<br /> 0 E[kV/m]<br /> 1.2<br /> 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 x[m] 30<br /> 1<br /> H×nh 3..2b: Ph©n bè ®iÖn tr−êng d−íi §DK 220kV 2 m¹ch, ph©n pha 2x300mm2, 0.8<br /> E®o[kV/m]<br /> theo ®é cao d©y vµ kho¶ng c¸ch tõ tim tuyÕn. Ph−¬ng ¸n Dx=6,5m; D1=4,8m; D2=4,5m; D3=4,2m 0.6<br /> Ett [kV/m]<br /> 0.4<br /> 5,5<br /> E[kV/m] 0.2<br /> 5,0 Ehp=1.63 Ehp=2.73 Ehp=3.23 0<br /> 4,5<br /> Ehp=4.03 Ehp=4.23 Ehp=4.43 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 x[m]14<br /> 4,0 H×nh 4.1b: C−êng ®é ®iÖn tr−êng bªn ph¶i §DK-220kV-1m¹ch, kho¶ng cét 2-3 v−ît ®−êng. XM-<br /> 3,5 Ehp=4.73 ST- kho¶ng cét 51-52<br /> 3,0<br /> 2,5 7<br /> E[kV/m] E®o[kV/m]<br /> 2,0 6<br /> Ett [kV/m]<br /> 1,5<br /> 5<br /> 1,0<br /> 4<br /> 0,5<br /> 3<br /> 0,0<br /> 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 2<br /> x[m]<br /> H×nh 3..2b1: Ph©n bè ®iÖn tr−êng d−íi §DK 220kV 2 m¹ch, ph©n pha 2x300mm2, theo ®é cao d©y vµ kho¶ng c¸ch 1<br /> tõ tim tuyÕn. Ph−¬ng ¸n khi Hmin=9,7m; Dx=6,5m; D1=4,8m; D2=4,5m; D3=4,2m<br /> 0<br /> 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 x[m] 13<br /> H×nh 4.2a: C−êng ®é ®iÖn tr−êng bªn tr¸i d−íi §DK-220kV-2m¹ch,ph©n pha 2x300mm2-<br /> E[kV/m] HB-NB kho¶ng cét 76-77<br /> 9 Ehmin=7 Ehmin=8 Ehmin=9<br /> 8 Ehmin=10 Ehmin=11 Ehmin=12 6<br /> Ehmin=13 Ehmin=14 Ehmin=15 C1 C2 E[kV/m]<br /> 7 E®o[kV/m]<br /> Ehmin=16 Ehmin=17 Ehmin=18 B1 B2 5<br /> 6<br /> Ehmin=19<br /> Ett [kV/m]<br /> 5 A1 A2 4<br /> 4<br /> 3<br /> 3<br /> 2 2<br /> 1 1<br /> 0<br /> 0<br /> 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 x[m] 30<br /> 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11x[m] 12<br /> H×nh 3..2c: Ph©n bè ®iÖn tr−êng d−íi §DK 220kV 2 m¹ch, ph©n pha 4x300mm2, theo ®é cao d©y vµ kho¶ng c¸ch H×nh 4.2b: C−êng ®é ®iÖn tr−êng bªn tr¸i d−íi §DK-220kV-2m¹ch,kh«ng ph©n pha-<br /> tõ tim tuyÕn. Ph−¬ng ¸n Dx=6,5m; D1=4,8m; D2=4,5m; D3=4,2m Hµ §«ng-Ph¶ L¹i<br /> <br /> <br /> 5<br /> 4,5<br /> C1 C2<br /> Từ số liệu trong các hình 3.2a, 3.2b và<br /> 3.2c ta thấy với khoảng cách pha 4,8m<br /> 4<br /> 3,5<br /> E[kV/m] 3<br /> B1 B2<br /> 2,5 A1 A2<br /> 2<br /> 1,5<br /> 1<br /> 4,5m và 4,2 m, khi dây dẫn có độ treo cao<br /> trung bình giảm dần từ 19m đến 7m, để có E<br /> 0,5<br /> 0-0,5 0,5-1<br /> 0<br /> 1-1,5 1,5-2<br /> <br /> 2-2,5 2,5-3<br /> ≤ 5kV/m. Phạm vi ảnh hưởng của ĐT được<br /> 150<br /> 170<br /> 190<br /> 210<br /> 230<br /> 250<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3-3,5 3,5-4 x[m]<br /> 270<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> y[m]<br />