Bài giảng Thiết kế đường dây và trạm biến áp - Chương 2: Thiết kế đường dây truyền tải - Nguyễn Nhật Nam

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
2.10Trụ điện
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
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 ?
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:
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
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
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. .
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
92.4 Bố trí dây dẫn
Một số cách bố trí dây dẫn thông dụng trên trụ điện
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 đườngdây Tại chuỗisứ ách điện
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,
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
132.5 Vầng quang điện
3,92
273
b
t
 
• : mật độ không khí
b: áp suất không khí, cmHg
t: nhiệt độ (0C)
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
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
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
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.
182.6 Sứ cách điện
o Sứ đỡ
192.6 Sứ cách điện
o Sứ treo
202.6 Sứ cách điện
o Sứ căng
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.
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
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
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
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
 
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
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.
282.7 Tải tổng trớ sóng
SIL
Không tải
Tải định mức
Đầu phát Đầu nhận
kV
km
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
• ..
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.
312.9 Sức căng – độ võng
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 vượt
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)
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)
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)
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 xuốngtại trung điểm OP.
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
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:
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
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
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
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
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

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

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

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
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

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     

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:
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

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
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.