205 Chương 5 TÍNH TOÁN CƠ HỌC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG §5.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG 5.1.1 Đường dây trên không Đường dây trên không bao gồm dãy các cột điện, trên đó có các xà và dây dẫn được treo vào các xà qua các xứ cách điện. Cột điện được chôn xuống đất bằng các móng vững chắc, làm nhiệm vụ ỡ dây ở trên cao so với mặt đất, do đó gọi là đường dây trên không. Trên cột còn có thể treo dây chống sét để sét không đánh trực tiếp vào dây dẫn. 1.Dây dẫn Dây dẫn được làm bằng đồng (M), nhôm (A), nhôm lõi thép (AC), thép (∏K, TK). Có các loại dây dẫn sau: - Dây đơn chỉ có một sợi duy nhất: thường là dây thép, dây lưỡng kim lõi thép hủ đồng ở ngoài; - Dây vặn xoắn đồng nhất: nhiều sợi nhỏ (đồng, nhôm hay thép) vặn xoắn lại với nhau; - Dây vặn xoắn nhôm lõi thép, để tăng độ bền người ta làm lõi thép ở trong, các sợi nhôm ở bên ngoài; - Dây vặn xoắn nhôm lõi thép có thêm các sợi phụ bằng chất cách điện để tăng bán kính dùng cho điện áp 220 kV trở lên. 2.Cột điện Cột điện làm bằng gỗ, bêtông cốt thép hay bằng thép. Theo chức năng cột điện gồm có: - Cột néo và néo góc: cột néo để giữ chắc đầu dây nối vào cột qua chuỗi sứ néo; cột néo góc dùng khi đường dây đổi hướng; - Cột đỡ và đỡ góc làm nhiệm vụ đỡ dây dẫn nối vào cột qua chuỗi sứ đỡ. Cột đỡ cũng chia ra cột đỡ thẳng và cột đỡ góc. Khi dường dây đổi hướng, nếu góc đổi hướng từ 10 đến 20 0 thì dùng cột đỡ góc, nếu góc lớn hơn thì dùng cột néo góc. Nếu dùng cột đỡ góc thì thường treo thêm tạ cân bằng để chuối sứ không bị lệch quá; - Cột cuối dùng ở đầu và cuối đường dây; 206 - Cột vượt là cột cao hoặc rất cao sử dụng khi đường dây qua chướng ngại cao hoặc rộng như đường dây điện, đường dây thông tin, sông rộng, Cột vượt có thể là cột néo hay đỡ; - Còn có các cột dùng để chuyển vị các dây pha (cột đảo pha) và cột để nối các nhánh rẽ (cột rẽ). Cũng có các cột đặc biệt trên đó đặt dao cách ly, tụ bù, Khoảng cách giữa hai điểm treo dây trên hai cột kề nhau gọi là khoảng cột. Nếu hai cột kề nhau là cột néo thì gọi là khoảng cột néo. Khoảng giữa hai cột néo gồm nhiều cột đỡ liên tiếp gọi là khoảng néo. Khoảng néo bao gồm nhiều khoảng cột thường. Khi đường dây vượt qua chướng ngại thì ta có khoảng vượt, khoảng vượt có thể có một hoặc nhiều khoảng cột. 3.Sứ cách điện và phụ kiện Sứ cách điện có thể là sứ dứng hay sứ treo. Sư đứng dùng cho điện áp trung trở xuống, mỗi dây pha dùng một sứ cắm trên các cọc dỡ đặt trên xà cột. Sứ treo gồm các bát sứ treo nối tiếp thành chuỗi dùng cho điện áp trung đến siêu cao. Có chuỗi sứ đỡ và chuối sứ néo dùng cho cột đỡ và cột néo. Trên chuỗi sứ có thể có các kim của khe hở chống sét và thiết bị điều hòa phân bố điện thế trên chuỗi sứ. Dây dẫn được gắn vào chuối sứ nhờ các kẹp dây. Đối với đường dây trên không còn có các thiết bị khác như: - Quả tạ chống rung để tiêu hao năng lượng do dao động riêng của dây dẫn, chống hiện tượng cộng hưởng tần số dao động riêng với tần số công nghiệp, đảm bảo dây không bị rung; - Để chống quá điện áp trên đường dây dùng dây chông sét, nối đát các cột điện, đặt chống sét ống, tạo các khe hở phóng điện. Trên bảng 5.1 giới thiệu một vài thông số đặc trưng các đường dây trên không Bảng 5.1 Một vài số liệu đặc trưng các đường dây trên không Điện ap;kV Cột Khoảng cột; m 10 Bê tông cốt thép 80÷150 35 Bê tông Thép 200÷260 220÷270 110 Bê tông Thép 220÷270 250÷350 220 Bê tông Thép 220÷300 350÷450 207 500 Bê tông Thép 250÷300 300÷450 5.1.2 Các trạng thái làm việc của đường dây trên không Xét về mặt cơ hoc, đường dây trên không sẽ vận hành trong các trạng thái khác nhau mà mỗi trạng thái chúng chịu tác động của các lực tương ứng. Mỗi trạng thái được đặc trưng bởi tập hợp các thông số môi trường và tình tạng dây dẫn và dây chống sét. Trạng thái môi trường ở dây là tốc độ gió và nhiệt độ không khí. Có 5 trạng thái để xem xét cơ học cho đường dây như sau: 1.Trạng thái nhiệt độ thấp nhất: Khi nhiệt độ thấp nhất, dây dẫn bị co lại, gây ứng suất trong dây lớn nhất. Dây bị co lại có thể gây lực kéo ngược chuỗi sứ và nhổ cột. 2. Trạng thái bão: Trạng thái này dây dẫn chịu tải trọng cơ học lớn nhất, ứng suất trong dây lớn nhất và dây bị lệch khỏi mặt phẳng đứng. 3. Trạng thái nhiệt độ trung bình: Đây là trạng thái làm việc lâu dài của dây dẫn. Dây dẫn chịu sự rung động thường xuyên do gió gây mỏi dây và gây nguy cơ đứt các sợi dây ở các chỗ kẹp dây. 4. Trạng thái nhiệt độ cao nhất: Dây dẫn bị giãn ra nhiều nhất làm cho khoảng cách từ dây dẫn thấp nhất đến đất là nhỏ nhất. Độ võng trong trạng thái này là độ võng lớn nhất. 5. Trạng thái quá điện áp khí quyển: Trạng thái này xảy ra trong các giờ giông sét, các dây dẫn bị gió làm dao động đến gần nhau và gần cột, làm cho khả năng gây phóng điện rất cao. Trạng thái này dùng để tính dây chống sét và kiểm tra độ lệch chuỗi sứ. Bảng 5.2 giới thiệu số liệu về điều kiện tính toán cơ học cho đường dây tải điện trên không. Bảng 5.2 Số liệu về điều kiện tính toán cơ học cho đường dây trên không Điều kiện tính toán Trạng thái Nhiệt độ; 0 C Áp lực gió; daN Tốc độ gió; m/s 1. Nhiệt độ không khí thấp 5 0 0 208 nhất 2. Trạng thái bão 25 q max v max 3. Nhiệt độ không khí trung bình 25 0 0 4. Nhiệt độ không khí cao nhất 40 0 0 5. Quá điện áp khí quyên 20 0,1q max , nhưng  6,25 daN/mm 2 v≈0,3v max 1kG lực =0,98 daN (deca Newton); q max là áp lực gió lớn nhất trong khu vực đường dây đi qua. 5.1.3 Tải trọng cơ học đối với đường dây trên không Có hai tải trọng tác động lên dây dẫn là: - Tải trọng do trọng lượng dây gây ra; - Tải trọng do áp lực gió tác động lên dây dẫn. 1. Tải trọng cơ học do trọng lượng dây Trọng lượng 1m dây là G [kg/m], hoặc thành đơn vị [kg/m] = 9,81[daN//m]. Khi đó tỉ tải g 1 do trọng lượng bản thân dây dẫn được xác định theo công thức:   2 0 1 2 0 1 mm.m/daN; F G 81,9ghay;]mm.m/kg[; F G g  (5.1) trong đó F là tiết diện dây dẫn;[mm 2 ] Do cấu tạo của dây vặn xoắn gồm nhiều sợi vặn xoắn với nhau nên chiều dài thực tế lớn hơn, khi đó tỉ tải g 1 vẫn tính theo công thức (5.1) nhưng nhân thêm với hệ số khoảng 1,02÷1,03. 2.Tải trọng do gió Giả thiết gió thổi ngang vuông góc với chiều dài dây dẫn, gây ra áp lực (sức ép) đối với dây dẫn. Áp lực gió P v trên 1m dây dẫn được tính theo công thức sau:   m/kg;S.q.k.aP v  trong đó : a- hệ số không đều của gió; k- hệ số động lực của không khí; S- bề mặt cản gió; m 2 . q- động năng của gió; [kg/m 2 ] 209 Nếu gió thổi chếch đi thì phải nhân thêm với sinφ (φ là góc hợp bởi tuyến dây và chiều gió). Hệ số không đều của gió dọc theo khoảng vượt phụ thuộc vào tốc độ v của gió như sau: Tốc độ gió; m/s 20 25 30 40 Hệ số a 1 0,85 0,75 0,7 Hệ số động lực k của không khí phụ thuộc vào hình dáng, bề mặt mà gió tác dụng vào, đường kính dây dẫn, cụ thể như sau: - Dây dẫn có đường kính d≥20 mm thì k=1,1 - Dây dẫn có đường kính d<20 mm thì k=1,2 Bề mặt cản gió đối với chiều dài dây dẫn 1m chính bằng đường kính dây dẫn d; nếu đường kính d tính bằng mm thì S bằng d/1000 [m 2 ] Động năng của gió có thể tra bảng có sẵn hay tính theo công thức: 16 v q 2  , trong đó v là vận tốc gió [m/s]. Vậy áp lực gió P V đối với 1m dây dẫn được tính theo công thức sau:   m/kg; 16 . 1000 v.d.k.a P 2 v  (5.2) Tỉ tải g 2 do gió lên dây dẫn là :   2 2 v 2 mm.m/kg; 1000 . F . 16 v.d.k.a F P g  (5.3) 3.Tỉ tải tổng hơp: 2 2 2 1 ggg  (5.4) §5.2 PHƯƠNG TRÌNH VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ®-êng d©Y TRÊN KHÔNG 5.2.1 Dây dẫn treo trên hai điểm cùng độ cao 1. Phương trình cơ bản Dây dẫn được treo tự do tại hai điểm A và B có cùng độ cao như trên hình hình 5.1 thì dây dẫn sẽ võng xuống mà điểm thấp nhất điểm O sẽ là chính giữa. Kẻ một trục tọa độ có trục tung qua điểm O, trục hoành ngang là mặt đất vuông góc với trục tung. 210 Tại toạn độ (x,y) có tung độ cách mật đất là y, cách trục tung là x chiều dài của đường dây tính từ điểm O là L xy . Đường cong của đường dây có dạng dây xích [1], có phương trình biểu diễn:                          o oxy o ox y x shyL y x chyy (5.5) trong đó x o và y o là tọa độ của điểm O. Triển khai các các hàm hypebolic thành chuỗi             ! 5 ! 3 sh !4!2 1ch 53 42 Áp dụng cho (5.5) ta được                                          5 o 5 3 o 3 o o o oxy 4 o 4 2 o 2 o o ox y!5 x y!3 x y x y y x shyL y!4 x y!2 x 1y y x chyy (5.6) A B o o O o T xy T 0 x L y O f T A y y Hình 5.1 Dây dẫn treo trên hai điểm cùng độ cao 211 Tính gần đúng, bỏ qua các thành phần bậc cao, chỉ giữ lại hai phần tử đầu của chuỗi thì các phương trình của (5.6) sẽ là :          2 o 2 xy o 2 ox y6 x xL y2 x yy (5.6a) Từ (5.6a) ta thấy rằng phương trình y x của đường dây trờ thành dạng parabol. Điều này càng rõ nét hơn nếu lấy trục hoành đi qua điểm dây thấp nhất và trục tung vẫn qua điểm giữa đường căng dây (hình 5.2), khi đó phương trình y x sẽ là: o 2 x y2 x y  (5.7) 2.Ứng suất, độ võng và chiều dài dây dẫn a) Ứng suất Dây dẫn bị võng xuống với giả thiết: - Dây võng lý tưởng, nghĩa là không bọi kéo căng; - Trọng lượng dây dẫn phân bố đều dọc theo chiều dài dây; - Tại tọa độ điểm bất kỳ (x,y) đều có một lực kéo T xy tác động theo phương tiếp tuyến tại điểm đó (hình 5.1). Lực kéo đó chính bằng trọng lượng G y của đoạn đường dây từ điểm đó qua ròng rọc lý tưởng (không có ma sát) đến trục hoành: y.F.gT xy  (5.8) trong đó: g - tỉ tải của dây dẫn; [kg/m.mm 2 ] y – khoảng cách từ điểm tọa độ (x,y) đến trục hoành; [m] Sức căng tại điểm thấp nhất bằng: x Hình 4.2 Trục hoành qua điểm thấp nhất C A B o o C f y f x y x 212 oo y.F.gT  (5.8a) Sức căng tại điểm treo dây A bằng:   f.F.gTfy.F.gy.F.gT ooAA  (5.8b) Với f là độ võng của dây dẫn (xem hình 5.1) Ứng suất trong vật liệu dây dẫn bằng sức căng trên một đơn vị tiết diện dây dẫn. Vậy ta có:   f.gfy.g F T g y;y.g F T ; F T o0 A A o oo o o xy xy     (5.9) trong đó Aoxy ,,  là ứng suất day dẫn tại các tọa độ (x,y), điểm O và điểm A. Từ công thức (5.8) ta tháy rằng ứng suất của dây dẫn tại điểm treo dây dẫn lớn hơn ứng suất tại điểm thấp nhất. Tại các đường dây có chiều dài khoảng vượt trung bình, thì sự khác nhau giữa A  và o  rất ít (khoảng 0,3%) nên có thể bỏ qua và lấy o  đẻ tính toán. Nếu khoảng vượt lớn (trên 700m) thì phải dùng công thức tính đúng như đã nêu ở trên. b) Độ võng f Từ phương trình (5.5) tại tọa độ treo dây điểm A (hình 4.1) với x= 2  , ta có o oA y2 chyy   , mà y A =y o +f, suy ra :                      1 2 g. ch g 1 y2 chyyyf o o o ooA  . Triển khai hàm           1 2 g. ch o  thành chuỗi được: 1 16!.4 g 4.2 g 11 2 g. ch 4 o 44 2 o 22 o                  Khi đó độ vọng f sẽ là :                 4 o 44 2 o 22 o 16.24 g 4.2 g g f Gần đúng, giữ lại hai số hạng đầu của chuỗi ta được công thức tính gần đúng độ võng như sau: 213 0 2 8 g f    (5.10) Với các khoảng vượt dưới 700m, độ võng được xác định gần đúng theo công thức (5.10) chỉ đạt sai số rất nhỏ (chừng từ 0,1% đến 0,3%). c) Chiều dài dây dẫn L Từ phương trình (4.5) tại tọa độ treo dây điểm A (hình 4.1) với x= 2  , ta có o o o oA 2 g. sh g 2 y2 shy2y2L     Triển khai hàm o 2 g. sh   thành chuỗi được:           5 o 55 3 o 33 oo 32!.5 g 8!.3 g 2 g 2 g. sh Khi đó độ dài L sẽ là :                   5 o 55 3 o 33 o o 32!.5 g 8!.3 g 2 g g 2L Gần đúng, giữ lại hai số hạng đầu của chuỗi ta được công thức tính gần đúng độ võng như sau:     3 f8 24 g L 2 2 o 23    (5.11) Với các khoảng vượt dưới 700m, độ võng được xác định gần đúng theo công thức (5.11) chỉ đạt sai số rất nhỏ (chừng từ 0,1% đến 0,3%). Các công thức (5.10) và (5.11) là những công thức cơ bản tính toán cơ khí của đường dây trên không. Cả hai công thức đó đều có dạng phương trình parabol. Với phép tính gần đúng ta đã đưa công thức dạng dây xích về dạng parabol. 4.2.2 Dây dẫn treo trên hai điểm không cùng độ cao 1.Độ võng Ta viết lại phương trình (5.7) của trường hợp dây dẫn treo trên hai điểm có cùng độ cao, có xét đến (5.9) được: 0 2 x 2 x.g y   (5.12) 214 Đây là phương trình parabol có điểm thấp C trùng với điểm gốc tọa độ 0 (xem hình 5.2). Khi hai điểm treo dây A và B không cùng độ cao, ta có thể khẳng định rằng: Dây dẫn vẫn tạo thành đường parabol duy nhất đi qua hai điểm treo dây A,B (hình 5.3). Tâm của trục tọa độ sẽ gần về phía điểm treo dây thấp hơn. Phương trình (5.12) vẫn áp dụng được cho trường hợp này. Từ hình 5.3 thay a và b vào 5.12 ta được: 0 2 B 0 2 A 2 b.g h; 2 a.g h     (5.13) h A và h B là độ cao của hai điểm treo dây. Độ lệch giữa hai điểm treo dây là:   22 o AB ab 2 g tg.hhh     ở đây  là góc tạo bởi đường thẳng AB với trục hoành; harctg Thay b= - a vào phương trình trên ta được:     a2 2 g ab 2 g h o 22 o       Giải phương trình ta được: A B o o C y f c y c  - /2 /2 0 x a b x c Hình 5.3 Hai điểm treo dây không cùng độ cao h A h B ∆h  [...]... 2.1 Tổng quát chung về tính toán chế độ xác lập hệ thống điện 22 2.2 Hệ phương trình mô tả chế độ xác lập hệ thống điện bằng ma trận tổng dẫn Y, tổng trở Z 26 2.3 Hệ phương trình mô tả hệ thống điện bằng công suất nút32 2.4 Một số mô tả hệ thống điện bằng ma trận graph 37 2 .5 Hệ phương trình mô tả chế độ xác lập hệ thống điện khi có nhiều cấp điện áp 40 2.6 Phương pháp nghịch đảo ma trận... .5 Chương 1 Phân tích tính toán thiết kế lưới điện 7 1.1Các nội dung chính của thiết kế lưới điện 7 1.2Tính toán cân bằng công suất trong hệ thống điện 7 1.3Chọn thiết diện dây dẫn và dây cáp điện 14 1.4Tính toán kinh tế-kỹ thuật chọn phương án tối ưu 20 Chương 2.Tính toán chế độ xác lập hệ thống điện phức tạp22 2.1 Tổng quát chung về tính toán chế độ xác lập hệ thống điện 22 2.2 Hệ phương... khử Gauss .58 2.9 Phương pháp lặp Gauss-Seidel 61 2.10 Phương pháp lặp Newton-Raphson 76 2.11 Tính toán các thông số chế độ 92 Chương 3 .Phân tích chế độ làm việc của đường dây siêu cao áp 3.1 Tổng quát chung về đường dây dài siêu cao áp và hệ thống tải điện 102 3.2 Các phương trình mô tả chế độ làm việc của đường dây dài thuần nhất 1 05 3.3 Phân tích chế độ làm việc của... khoảng 0 ,5 1,2 m tính từ kẹp tạ đến điểm treo dây dẫn Loại tạ chống rung phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn và dây chống sét (xem bảng 5. 3) Bảng 5. 3 Khoảng cách đặt tạ và khối lượng tạ Kích thước tạ chống rung Loại dây Độ dài; mm Trọng lượng;kg Quả tạ Toàn bộ 2 35 Dây thép 50 mm2 300 0,8 2,30 A-70- 95; AC-70- 95 350 0,8 2, 35 Dây thép 70 mm2 400 1,6 4, 05 A-120-1 85; AC-120- 150 ; ACO- 150 ; ACY-120- 150 450 1,6 4,13... 8.14,8 3,36.10  8900. 450 A  5, 75  3 2 24 .5, 75 B  2 3,36.10  8900. 450 3 2 2 24 2  18,3.10 6.890040  15  23,96  847,78 847,78  23,96 2 Giải ra ta được  =5, 376 daN/mm2 Tính độ võng: f  g. 2 3,36.10 3. 450 2   15, 82m 8 8 .5, 376 Đây là độ võng lớn nhất của dây dẫn b) Trường hợp b) tính tương tự trường hợp a) chỉ có khác trị số về nhiệt độ c) Trạng thái bão  =2 5oC, v =40 m/s Trước... được độ võng fn của dây dẫn theo công thức (5. 10) trong điều kiện khí hậu mới f n   2 g n 8 n VÍ DỤ 5. 1 219 Dây AC-400, khoảng cột  = 450 m, f = 14,8 m ở nhiệt độ 0 = 150 C, không có gió Thiết diện dây dẫn F = FAL+AFe = 390+63 ,5= 453 mm2, G = 0,981*1 ,57 2 = 1 ,54 2 daN/m, d = 27,7mm; E = 8900 daN/mm2, α = 18,3 10-6 1/0C; g0 = g1 = G/F = 1 ,52 4/ 453 ,5 = 3,36 10-3 daN/m.mm2 Tính ứng suất trong dây , độ. .. g. (5. 16) Thay xC vào (5. 12) ta được: 2 15 yC   2  2 Thay b   x C    o  h    2g    2 (5. 17)  o h vào (5. 13) ta được: g. 2 2 2 2  o    o h   o    . o h  o h 2      hA   2 2      2 2g  2 2g.  2s  2  g. g       2 2 g. h  o h    8 o 2 2g. 2 (5. 18) Thay (5. 16), (5. 17) và (5. 18) vào (5. 15) ta được: fC  g. 2 8 o (5. 19) Ta thấy độ võng... 400 1,6 4, 05 A-120-1 85; AC-120- 150 ; ACO- 150 ; ACY-120- 150 450 1,6 4,13 A-240; AC-1 85- 240; ACO-1 85- 240; ACY-1 85- 240 50 0 2,4 5, 60 A-300; ACO-300 55 0 3,2 8,10 A-400 -50 0; AC-300-400; ACO-40 050 0; ACY-300-400 55 0 3,2 8,20 A-600; AC0-600 600 3,2 8,30 Trên đây giới thiệu các kiến thức cơ bản về cách tính các thông số ứng suất, độ võng, khoảng cột tới hạn và tạ chống rung chứ chưa thể hiện tính toán chi tiết... (5. 21d) Nếu độ chêch lệch giữa A và B không lớn thì tỷ số ∆h/2  nhỏ, có thể bỏ qua; Khi đó công thức (5. 21d) trở về công thức (5. 11) 5. 3 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA DÂY DẪN 5. 3.1 Đặt vấn đề Đối với một dây dẫn treo lên hai cột với khoảng cột là  , ở một điêù kiện nào đó ( nhiệt độ, tốc độ gió, ) thì sẽ tồn tại các thông số ứng suất  , độ võng f, độ dài đường dây L, tỷ tải g tương ứng Trong qúa trình. .. Kết luận chung về FACTS .201 187 Chương 5 Tính toán cơ học đường dây tải điện trên không2 05 5.1 Khái quát chung về đường dây trên không 2 05 5.2 Phương trình và các thông số cở bản của đường dây trên không 210 5. 3 Phương trình trạng thái của đường dây dẫn 219 5. 4 Khoảng cột tới hạn của dây dẫn .223 5. 5 Tính toán dây nhôm lõi thép AC 234 5. 6 Chống rung cho dây .238 Tài liệu tham . ứng suất  o , từ công thức (5. 10):       96,23 78,847 78,847 24 450 .8900.10.36,3 B 96,23 154 08900.10.3,18 75, 5.24 450 .8900.10.36,3 75, 5A mm/daN 75, 5 8,14.8 450 .10.36,3 f8 .g 2 2 2 3 6 2 2 2 3 2 23 2 o o            . dây và chiều gió). Hệ số không đều của gió dọc theo khoảng vượt phụ thuộc vào tốc độ v của gió như sau: Tốc độ gió; m/s 20 25 30 40 Hệ số a 1 0, 85 0, 75 0,7 Hệ số động lực k của không khí. không Điện ap;kV Cột Khoảng cột; m 10 Bê tông cốt thép 80÷ 150 35 Bê tông Thép 200÷260 220÷270 110 Bê tông Thép 220÷270 250 ÷ 350 220 Bê tông Thép 220÷300 350 ÷ 450 207 50 0 Bê tông Thép 250 ÷300 300÷ 450 5. 1.2