Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG LÊ TRUNG HIẾU PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN TRONG TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG NỐI ĐẤT NGÀNH KỸ

Trang 1

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ TRUNG HIẾU

PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN TRONG TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 7 0 1

Trang 2

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

LÊ TRUNG HIẾU

PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN TRONG TÍNH TOÁN

QUÁ ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

Trang 3

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: LÊ TRUNG HIẾU - Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 17/02/1976 - Nơi sinh: Bến Tre

Quê quán: Giồng Trôm, Bến Tre - Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Trường Cao Đẳng Nghề Trà Vinh

Điện thoại cơ quan: - Điện thoại nhà riêng: 0919186867

Fax: - E-mail: lthieu76@yahoo.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Cao đẳng:

Hệ đào tạo: Chính quy - Thời gian đào tạo: 09/1995 – 09/1998

Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

Ngành học: Điện khí hóa & Cung cấp điện

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy - Thời gian đào tạo từ 10/2000 đến 10/2002

Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Ngành học: Điện Khí Hóa – Cung Cấp Điện

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 10 năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Trước hết xin chân thành kính trọng và biết ơn sâu sắc quý Thầy, Cô giảng viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong toàn khóa học

Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Hồ Văn Nhật Chương, người

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp

và giúp tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn

Xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn ở bên tôi ủng hộ, động viên cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Với thời gian có hạn, việc thực hiện luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của quý Thầy, Cô

và các bạn để luận văn này hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015

Người thực hiện

LÊ TRUNG HIẾU

Trang 6

TÓM TẮT

Hiện tượng quá điện áp đã ảnh hưởng trực tiếp đến lưới điện, thiết bị điện trên

hệ thống nối đất Vì vậy để hệ thống nối đất, lưới, thiết bị điện được an toàn, bảo đảm tính mạng người, tài sản, ta cần phải tìm phương pháp tốt nhất để tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất một cách hiệu quả, đáng tin cậy nhất

Có nhiều phương pháp tiếp cận để tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất như: cách tiếp cận mạch điện, trường điện từ, theo mô hình đường dây truyền tải,…hoặc là dùng các phương pháp số như phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp sai phân hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn hay các phương pháp tiếp cận để tính toán quá điện áp thì khó thực hiện và phức tạp Trong luận văn này người viết sẽ dùng phương pháp sai phân hữu hạn để tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất Với phương pháp này thì việc thực hiện đơn giản hơn các phương pháp khác và cho ra kết quả tin cậy

Trong nội dung này luận văn được chia làm 5 chương, bao gồm:

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Tổng quát về quá điện áp trên hệ thống nối đất

 Chương 3: Phương pháp sai phân hữu hạn

 Chương 4: Kết quả tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất bằng phương pháp sai phân hữu hạn

 Chương 5: Kết quả khảo sát tổng trở xung kích trên hệ thống nối đất bằng phương pháp sai phân hữu hạn

 Chương 6: Kết luận

Trang 7

ABSTRACT

Overvoltage phenomenon directly affects the power grid, electrical equipment on the grounding system Therefore, in order to be safe for the grounding system, power grid and electrical equipment, ensure the lives and property, we need to find the best method to calculate the voltage on grounding system most effectively and reliably There are many approaches to calculate the voltage on grounding system such as electrical circuit approach, electromagnetic fields, transmission line model or using the method of finite element method, finite difference method

The finite element method or approach to calculate the voltage is difficult and complex In this thesis, the writer will use finite difference method to calculate the voltage of the grounding system With this method, the implementation is simpler than other methods and produces reliable results

In this context the thesis is divided into five chapters, including:

• Chapter 1: Overview

• Chapter 2: Overview of the system voltage on grounding system

• Chapter 3: Finite difference method

• Chapter 4: Calculation results of overvoltage on grounding system using finite difference method

• Chapter 5: Results of the survey total return shock on grounding system with finite difference method

• Chapter 6: Conclusion

Trang 8

MỤC LỤC

Chương 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan đề tài 1

1.2 Nội dung nghiên cứu 2

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Điểm mới của luận văn 3

1.5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 3

TỔNG QUÁT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN 5

HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 5

2.1 Quá điện áp khí quyển 5

2.1.1 Biên độ d ng s t và xác suất xuất hiện của nó 7

2.1.2 Độ dốc đầu sóng d ng điện s t và xác suất xuất hiện của nó 9

2.1.3 Cường độ hoạt động của s t 10

2.1.4 Cực tính của s t 11

2.2 Quá điện áp nội bộ 11

2.2.1 Phân loại quá điện áp nội bộ 11

2.2.2 Vấn đề nối đất điểm trung tính của hệ thống điện 13

2.3 Quá điện áp cộng hưởng 15

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống nối đất khi tản d ng điện sét 16

2.4.1 Khái niệm về nối đất 16

2.4.2 Điện trở tản xung của dạng nối đất tập trung 20

2.4.3 Điện trở xung của nối đất kéo dài khi bỏ qua hiện tượng ion hóa trong đất 20

2.4.4 Điện trở xung của nối đất k o dài khi có quá trình phóng điện trong đất 21

2.5 Tổng quan về mô hình nối đất và các phương pháp số 21

2.5.1 Sơ lược về hướng tiếp cận mô hình tính toán hệ thống nối đất thu sét 21

2.5.2 Cách tiếp cận mạch điện 23

2.5.3 Cách tiếp cận trường điện từ 23

2.5.4 Cách tiếp cận hỗn hợp 24

2.5.5 Cách tiếp cận đường dây truyền tải 24

Trang 9

2.6 Giới thiệu các phương pháp số phổ biến hiện nay 25

2.6.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 25

2.6.2 Phương pháp sai phân hữu hạn 27

2.7 Hướng nghiên cứu của đề tài 27

Chương 3 29

PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN 29

3.1 Những khái niệm sử dụng trong phuơng pháp sai phân hữu hạn 29

3.1.1 Hệ thống các đại lượng chuẩn Gauss 29

3.1.2 Điều kiện biên 29

3.1.3 Hệ phương trình Maxwell 29

3.2 Sóng điện từ lan truyền trong không gian theo thời gian bằng phương pháp sai phân hữu hạn 30

3.2.1 Sóng điện từ trong không gian tự do với điều kiện biên hấp thụ tuyệt đối 32

3.2.2 Sóng điện từ trong môi trường điện môi lý tưởng 33

3.2.3 Sóng điện từ trong môi trường điện môi có tổn hao 34

3.3 Áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn để tính toán quá điện áp trong hệ thống nối đất 35

3.3.1 Phương pháp sai phân hữu hạn 35

3.3.2 Mô hình đường dây truyền tải trong hệ thống nối đất 36

3.3.3 Áp dụng phương pháp sai hữu hạn để tính trên mô hình tương đương của thanh nối đất 36

3.3.4 Áp dụng phương pháp sai phân vào thanh nối đất 38

3.3.5 Cách tính điện áp, d ng điện trên thanh dẫn chôn dưới đất khi x t đến hiện tượng ion hóa trong đất 40

3.3.6 Cách xác định d ng điện tản 41

3.3.7 Cách tính điện trở tản xung của hệ thống nối đất 41

3.3.8 Mối liên hệ tại giữa điện áp thanh và điện áp của hệ thống lưới nối đất 42

3.3.9 Thuật giải tổng quát cho thanh nối đất 43

Chương 4 44

KẾT QUẢ TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN 44

HỆ THỐNG NỐI ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP 44

SAI PHÂN HỮU HẠN 44

Trang 10

4.1 Kết quả khảo sát quá điện áp ở các điểm vị trí trên thanh 44

4.1.1 Kết quả khảo sát thanh l = 100m với các giá trị đầu, giữa và cuối thanh 44

4.1.2 Kết quả khảo sát quá điện áp trên các thanh nối đất với chiều dài l =10; 30; 60; 90; 120m 45

4.1.3 Kết quả khảo sát quá điện áp đầu thanh nối đất khi thay đổi bán kính thanh là r =15mm; độ chôn sâu d=0.8m 50

4.2 Kết quả khảo sát quá điện áp trên thanh khi thay đổi giá điện trở suất đất 55

4.2.1 Kết quả khảo sát quá điện áp tại đầu thanh l = 10m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm 55

4.2.2 Điện áp tại x=0 khi thanh l = 30m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm 60

4.2.3 Khảo sát quá điện áp tại đầu thanh khi thanh l = 60m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm 63

Chương 5 77

KẾT QUẢ KHẢO SÁT TỔNG TRỞ XUNG KÍCH TRÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN 77

5.1 Kết quả khảo sát tổng trở xung kích cho thanh nối đất với chiều dài l =10; 30; 60; 90; 120m thay đổi giá trị điện trở suất của thanh 77

5.1.1 Kết quả khảo sát tổng trở xung kích tại đầu thanh l = 10m, khi ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm 77

5.1.4 Tổng trở tại x=0 khi thanh l = 90m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm 84

5.1.5 Kết quả khảo sát tổng trở xung tại đầu thanh l = 120m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm 85

5.2 Kết quả khảo sát tổng trở xung cho thanh nối đất ứng với ρđ = 50Ωm khi thay đổi chiều dài l =10; 30; 60; 90; 120m 86

5.3 Ảnh hưởng của các dạng sóng lên trên tổng trở xung của các thanh nối đât 90

5.3.1 Dạng sóng i =( e-t/T1-e-t/T2) 91

5.3.2 Dạng sóng i =1(t) khi t ≥ 0 91

5.3.3 Dạng sóng        ) ( 1 ) 0 ( ds ds t t at i   92

5.3.4 Dạng sóng i =e-t/T 93

Trang 11

5.3.5 Dạng sóng i =



















) ( 0

) (

) 0

(

T t

T t C

Bt

t t A

ds



94

5.3.6 Tổng hợp tổng trở xung tại các giá trị d ng điện i =( e-t/T1 -e-t/T2); i =1(t); 94

KẾT LUẬN 97

T I LIỆU THAM KHẢO 98

PHỤ LỤC 101

Trang 12

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2 1 S t đánh trên đường dây tải điện 6

Hình 2 2 Quá điện áp khí quyển xảy ra trên hệ thống điện 6

Hình 2 3 Dạng d ng điện s t 7

Hình 2 4 Xác suất phân bố d ng điện s t có biên độ bằng và lớn hơn is 8

Hình 2 5 Đường cong xác suất độ dốc đầu sóng d ng s t 9

Hình 2 6 Các dạng sóng tính toán d ng điện s t 10

Hình 2 7 Chạm đất một pha trong lưới có trung tính nối đất trực tiếp 14

Hình 2 8 Hình ảnh tổng thể của nối đất hệ thống điện 17

Hình 2 9 Thanh và cọc nối đất gh p lại với nhau 17

Hình 2 10 Cọc được đóng cách mặt đất một khoảng sâu 18

Hình 2 11 Cọc nối đất 18

Hình 2 12 Nối đất làm việc 19

Hình 2 13 Nối đất an toàn 19

Hình 2 14 Nối đất chống sét 20

Hình 3 1 Mô hình tính toán Ex, Hy các giá trị trong PP SPHH 31

Hình 3 2 Mô hình phân đoạn của đường dây truyền tải 37

Hình 3 3 Điện áp, d ng điện trên thanh dẫn 40

Hình 3 4 Biểu diễn xác định d ng điện tản 41

Hình 4 1 Kết quả thu được khi l=100m ứng với các giá trị x = 0; 50; 100m 44

Hình 4 2 Kết quả thu được khi l = 10m tại đầu, giữa và cuối thanh 46

Hình 4 7 Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l = 10; 30;60;90;120m 50

Hình 4 8 Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l=10m 51

Trang 13

Hình 4 11 Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l = 90m 53

Hình 4 13 Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l=10;30;60;90;120m 54

Hình 4 14 Kết quả khảo sát thanh l=10m, ρđ =50 Ωm 55

Hình 4 15 Kết quả thu đƣợc tại thanh l=10m; ρđ =100 Ωm 56

Hình 4 16 Kết quả thu đƣợc thanh 10m; ρđ =200 Ωm 57

Hình 4 17 Kết quả thu đƣợc thanh 10m; ρđ =300 Ωm 57

Hình 4 18 Kết quả thu đƣợc thanh l=10m; ρđ =400 Ωm 58

Hình 4 19 Kết quả thu đƣợc thanh l = 10m; ρđ =500 Ωm 58

Hình 4 20 Tổng hợp kết quả thanh l=10m; ρđ =50;100; 200;300;400; 500Ωm 59

Hình 4 22 Kết quả thu đƣợc thanh l=30; ρđ = 100 Ωm 60

Hình 4 27 Kết quả thu đƣợc thanh l = 30m; ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm 63

Hình 4 28 Kết quả thu đƣợc thanh l =60m, ρđ =50 Ωm 64

Hình 4 34 Tổng hợp kết quả thanh l =60m khi ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm 67

Hình 4 37 Kết quả thu đƣợc thanh l =90m, ρđ =200 Ωm 69

Trang 14

Hình 4 41 Kết quả thu đƣợc thanh l =90m, ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm 71

Hình 4 48 Kết quả thu đƣợc thanh l =120m, ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm 75

Hình 5 1 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh x=0, l =10m, ρđ =50 Ωm 78

Hình 5 2 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =10m, ρđ =100 Ωm 79

Hình 5 6 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh x=0, l =10m, ρđ =500 Ωm 82

Hình 5 7 Kết quả thu đƣợc tại x=0, l =10m, ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm 82

Hình 5 8 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =30m, ρđ =50;100;200;300;400 Ωm 83

Hình 5 9 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =60m, ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm 84

Hình 5 17 Kết quả thu đƣợc tại đầu các thanh l =10;30;60;90;120m, ρđ =50 Ωm 90

Hình 5 18 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh khi dòng sét i =( e-t/T1 -e-t/T2) 91

Hình 5 19 Kết quả thu đƣợc đầu thanh l = 60m, khi i =1(t) khi t ≥ 0 91

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	3,47 MB