ứng dụng wavelet trong việc nhận dạng quá điện áp

TÓM TẮT Chất lượng điện năng ngày càng trở thành tiêu chuẩn quan trọng trong các Công ty và các khách hàngsử dụng điện.Chất lượng điện năng thường đồng nghĩa với chất lượng điện áp, tần

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Trang 2

Trang 3

Trang 4

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: VÕ NGỌC THIỆN Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08/02/1986 Nơi sinh: Bình Thuận

Quê quán:Phú Quý –Bình Thuận Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Thôn Phú An – Xã Ngũ Phụng – Huyện Phú Quý Điện thoại di động:0982.33.88.58Điện thoại nhà riêng: 0623.769.080

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Cao đẳng:

Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 08/2007

Nơi học: Trường Cao đẳng Điện lực

Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật điện

2 Đại học:

Hệ đào tạo:liên thông Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 08/2011

Nơi học:Trường Đại học Điện lực

Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật điện

3 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính quytập trung Thời gian đào tạo từ 10/2011đến 2/2014 Nơi học:Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh

Ngành học: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Tên luận văn:

Ứng dụng wavelet trong việc nhận dạng quá điện áp

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 04 năm 2014, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: PGS.TS.Hồ Văn Nhật Chương

Trang 5

3 Trình độ ngoại ngữ:Tiếng Anh - mức độ: B1

5 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp:

Bằng Kỹ Sư Điện,Số hiệu bằng: Q1-ĐHLT-CD-00111, Ngày cấp:02/11/2011 Nơi cấp:Trường Đại học Điện lực

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Trang 6

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 … tháng 04 năm 2014

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 7

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn 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 em trong toàn khóa học

Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Hồ Văn Nhật Chươngvề tất cả những hướng dẫn, đóng góp tận tình của thầy đối với người thực hiện Luận văn trong quá trình học và làm việc vừa qua

Xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn ở bên em ủng hộ động viên cho em trong quá trình làm Luận văn được tốt hơn

Ngoài ra, người thực hiện cũng xin được gửi đến các Thầy, Cô bộ môn hệ thống điện trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM và Đại học Bách khoa Tp.HCM lời cảm ơn sâu sắc vì đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ rất nhiều trong quá trình học tập, công tác cũng như trong thời gian làm Luận văn này

Việc thực hiện đề tài Luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót về kiến thức chuyên môn Kính mong nhận được sự quan tâm, xem xét và đóng góp ý kiến quý báu của Quý Thầy, Cô và các bạn để đề tài Luận văn này hoàn thiện hơn

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014

Người thực hiện

Võ Ngọc Thiện

Trang 8

TÓM TẮT

Chất lượng điện năng ngày càng trở thành tiêu chuẩn quan trọng trong các Công ty và các khách hàngsử dụng điện.Chất lượng điện năng thường đồng nghĩa với chất lượng điện áp, tần số … Ngày nay với khoa học công nghệ phát triển, các thiết bị vi điện tử rất nhạy cảm sự thay đổi của biên độ điện áp, tần số, góc pha … Chỉ cần một nhiễu loạn nhỏ cũng có thể dẫn đến sự vận hành sai của các thiết bị này, thậm chí còn làm hư hỏng thiết bị Vì vậy đối với ngành điện nói chung, phải đảm bảo chắc chắn rằng các thông số phát ra phải nằm trong tiêu chuẩn cho phép, ngay

cả trong trường hợp bị sự cố dù nguyên nhân chủ quan hay khách quan

Nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng điện năng thường do nhiễu loạn trên đường dây như: xung sét, gián đoạn điện áp, tăng điện áp, giảm điện áp, méo dạng

do sóng hài, điện áp chập chờn.Do đó việc phân tích, nhận dạng, cô lập các hiện tượng trên mang ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình hướng đến các phương pháp hoàn thiện hơn để bảo vệ lưới điện khỏi các ảnh hưởng do nhiễu trên đường dây

Trong phần luận văn này tiếp tục nghiên cứu khảo sát các mức năng lượng của các dạng quá điện áp, bằng cách mô phỏng các hiện tượng nhiễu trên hệ thống điện, dùng kỹ thuật wavelet cho phép nhận được nhiều thông tin định lượng và là cơ

sở trong quá trình đánh giá chất lượng điện năng

Nội dung của luận văn được chia thành 6 chương:

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Quá điện áp trong hệ thống điện

 Chương 3: Cơ sở về phép biến đổi Fourier và phép biến đổi Wavelet

 Chương 4: Giới thiệu công cụ thực hiện và mô phỏng các dạng quá điện áp

 Chương 5: Phân tích tín hiệu và nhận dạng quá điện áp bằng kỹ thuật wavelet

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Trang 9

ABSTRACT

Power quality is increasingly becoming importantstandards in the company and customers use electricity Power quality is often synonymous with quality voltage, frequency … Today, with the development of science and technology, microelectronic devices are very sensitive to the change of voltage amplitude, frequency, phase angle … Just a small disturbance can also lead to incorrect operation of the device, even damaging equipment So for electrical industry must ensure that the generated parameters must be within permissible standards, even in case of subjective or objective

Low electric power quality is normally caused by disturbances on the line, such as lightning impulses, interruptions, voltage swell, voltage sag, harmonic distortion, and flicker and this results caused the error or misoperation of end-user‟s equipment, so the analyze, identify, isolate this phenomenon is very important meaning in the process towards more complete method to protect the grid from the effects of disturbances on the line

In this thesis, further study and the energylevels analysisof overvoltage form Simulation overvoltage form on the power system, using wavelet technique lets get more quantitative information and is the basis for the assessment of power quality

The contentof this thesisis includes sixchapters:

 Chapter 1: Overview

 Chapter 2: Over voltage in the power system

 Chapter 3: The basis of the Fourier transforms and the Wavelet transforms

 Chapter 4: Introducing the tool implementation and simulation of overvoltage

 Chapter 5: The energylevels analysisand identification signal by the wavelet technique

 Chapter 6: Conclusions and development of topics

Trang 10

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của Giáo viên hướng dẫn

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

CHỮ VIẾT TẮT xiv

DANH SÁCH CÁC HÌNH xiv

DANH SÁCH CÁC BẢNG xvxii

Chương 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2 Mục đích và giới hạn của đề tài 4

1.2.1 Mục đích 4

1.2.2 Giới hạn 4

1.3 Phương pháp nghiên cứu 5

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu 5

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 5

1.4 Điểm mới của luận văn 5

Chương 2 6

QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 6

2.1 Tổng quan về quá điện áp 7

2.2 Phân loại 7

2.3 Quá điện áp khí quyển: 8

2.3.1 Quá điện áp và nguồn gốc quá điện áp khí quyển: 8

2.3.2 Sự hình thành các đám mây dông mang điện tích: 9

Trang 11

2.3.3Quá trình phóng điện của sét: 12

2.3.4 Các giai đoạn phóng điện của sét: 13

a Giai đoạn 1: 13

b Giai đoạn 2: 14

c Giai đoạn 3: 15

2.3.5 Các tham số chủ yếu của sét và cường độ hoạt động của sét: 16

2.4 Quá điện áp nội bộ 17

2.4.1 Quá điện áp đóng cắt 17

2.4.2 Nguyên nhân 17

2.4.3 Phân loại 18

2.4.3.1 Nhóm I: Quá điện áp thao tác 18

2.4.3.2 Nhóm II: Quá điện áp cộng hưởng 18

2.4.4 Các tham số của quá điện áp nội bộ 18

2.4.5 Các dạng quá điện áp nội bộ thường gặp: 19

2.4.5.1 Nguồn 1 chiều 19

2.4.5.2 Nguồn xoay chiều 23

Chương 3 28

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÉP BIẾN ĐỔI FOURIER VÀ PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET 28

3.1 Công nghệ xử lý tín hiệu 28

3.2 Biến đổi Fourier 29

3.2.1 Khuyết điểm của phép biến đổi Fourier truyền thống 32

3.2.2 Nguyên lý bất định 35

3.2.3 Phép biến đổi Fourier thời gian ngắn (Short-Time Fourier Transform) 36

3.3 Phép biến đổi wavelet 40

3.3.1 Giới thiệu 40

3.3.2 Wavelet trong xử lý tín hiệu 42

3.3.2.1 Biến đổi Wavelet liên tục 43

3.3.2.2 Biến đổi Wavelet rời rạc DWT 49

Trang 12

3.3.2.3 Tái tạo Wavelet IDWT 52

3.3.2.4 Các bộ lọc tái tạo 53

3.3.3 Giới thiệu một số họ Wavelet 53

3.3.3.1 Biến đổi Wavelet Haar 53

3.3.3.2 Biến đổi Wavelet Hat Mexican 54

3.3.3.3 Biến đổi Wavelet Daubechies 55

3.3.4 Một số ứng dụng nổi bậc của Wavelet 55

3.3.4.1 Nén tín hiệu 55

3.3.4.2 Khử nhiễu 56

Chương 4 57

GIỚI THIỆU CÔNG CỤ THỰC HIỆN VÀMÔ PHỎNG CÁC DẠNG QUÁ ĐIỆN ÁP 57

4.1 Giới thiệu công cụ thực hiện: 57

4.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của Matlab: 57

4.1.2 Tổng quan về Matlab 58

4.2 Thực hiện mô phỏng với xung điện áp không chu kỳ 59

4.2.1 Xác định phương trình xung điện áp không chu kỳ: 59

4.2.2 Xác định thông số cho các dạng sóng 1.2/50s 59

4.2.3 Mô phỏng các dạng xung điện áp không chu kỳ 60

4.3 Thực hiện mô phỏng đóng nguồn 1 chiều: 63

4.3.1 Mô phỏng tạo tín hiệu quá độ khi đóng tụ với mạch RC: 63

4.3.2 Mô phỏng tạo tín hiệu quá độ khi đóng cuộn cảm mạch RL 64

4.3.3 Mô phỏng tạo tín hiệu quá độ khi đóng tụ với mạch RLC: 65

4.4 Thực hiện mô phỏng với nguồn xoay chiều: 67

4.4.1 Mô phỏng tạo tín hiệu quá độ khi đóng cuộn cảm với mạch RL 67

4.4.3 Mô phỏng tạo tín hiệu quá độ khi đóng tụ với mạch LC: 69

4.5 Thực hiện mô phỏng với nguồn xoay chiều và một chiều: 73

Trang 13

4.5.1 Mô phỏng tạo tín hiệu quá độ khi cuộn cảm với mạch RL: 73

4.5.3 Mô phỏng tạo tín hiệu quá độ khi đóng tụ với mạch LC: 75

4.6 Mô phỏng tạo tín hiệu cộng hưởng 80

4.6.1 Cộng hưởng tần số 0  100[rad/s] 80

4.6.2 Cộng hưởng tần số  30  100[rad/s] 81

4.6.3 Cộng hưởng tần số 0  3 300[rad/s] 83

4.7 Mô phỏng tạo tín hiệu quá độ trên tải khi có xung sét 100kA đánh vào đường dây 110kV: 84

4.7.1 Xung sét 1.2/50 µs 84

4.7.2 Xung sét 0.84/40 µs 86

4.7.3 Xung sét 0.84/60 µs 86

4.7.4 Xung sét 1.56/40 µs 87

4.7.5 Xung sét 1.56/60 µs 87

Chương 5 88

PHÂN TÍCH TÍN HIỆU VÀ NHẬN DẠNG QUÁ ĐIỆN ÁP BẰNG KỸ THUẬT WAVELET 88

5.1 Nguồn một chiều 91

5.1.1 Mạch RLC với R = 0,68  91

5.1.1.1 Phân tích tín hiệu trên C 91

5.1.1.2 Phân tích mức năng lượng trên C 94

5.1.1.3 Phân tích tín hiệu trên L 94

5.1.1.4 Phân tích mức năng lượng trên L 97

5.1.2 Mạch RLC với R = 10  98

5.1.3 Mạch RLC với R = 100  100

5.1.4 Mạch RC 102

5.1.5 Mạch RL 103

5.2 Nguồn xoay chiều 105

Trang 14

5.2.1 Mạch RL 105

5.2.2 Mạch RC 107

5.2.3 Mạch LC 108

5.2.4 Mạch RLC với R = 0,68  113

5.2.4.2 Phân tích năng lƣợng trên C 114

5.2.4.3 Phân tích năng lƣợng trên L 115

5.2.5 Mạch RLC với R = 10  116

5.2.5.2 Phân tích mức năng lƣợng trên C 117

5.2.5.3 Phân tích mức năng lƣợng trên L 118

5.2.6 Mạch RLC với R = 100  119

5.2.6.2 Phân tích mức năng lƣợng trên C 120

5.3 Nguồn xoay chiều và một chiều: 123

5.3.1 Mạch RL 123

5.3.1.1 Phân tích tín hiệu 123

5.3.2 Mạch RC 125

5.3.2.1 Phân tích tín hiệu với mạch RC 125

5.3.2.2 Phân tích năng lƣợng với mạch RC 126

5.3.3 Mạch LC 127

5.3.3.1 Phân tích tín hiệu trên C với mạch LC 127

5.3.3.2 Phân tích năng lƣợng trên C với mạch LC 128

5.3.3.3 Phân tích năng lƣợng trên L với mạch LC 129

5.3.4 Mạch RLC với R = 0,68  130

5.3.4.2 Phân tích năng lƣợng trên C 131

Trang 15

5.3.4.3 Phân tích năng lượng trên L 132

5.3.5 Mạch RLC với R = 10  133

5.3.6 Mạch RLC với R = 100  136

5.4 Quá điện áp cộng hưởng 140

5.4.1 Cộng hưởng với tần số nguồn 0  100 [rad/s] 140

5.4.1.1 Phân tích mức năng lượng trên C với R = 0.68 140

5.4.1.2 Phân tích mức năng lượng trên C với R=10 141

5.4.1.3 Phân tích mức năng lượng trên C với R=100 142

5.4.1.4 Phân tích mức năng lượng trên L với R = 0.68 143

5.4.1.5 Phân tích mức năng lượng trên L với R = 10 143

5.4.2 Cộng hưởng với tần số  30  100 [rad/s] 145

5.4.2.2 Phân tích mức năng lượng trên C với R = 10 146

5.4.3 Cộng hưởng với tần số 0  3 300 [rad/s] 150

Trang 16

5.5 Mạch có xung sét đánh vào đường dây 156

5.5.1 Xung sét 1.2/50 (s) 157

5.5.2 Xung sét 1.56/40 (s) 160

5.5.3 Xung sét 0.84/40 (s) 163

5.5.4 Xung sét 1.56/60 (s) 165

5.5.5 Xung sét 0.84/60 (s) 167

5.6 Đề xuất phương pháp nhận dạng các tín hiệu quá điện áp 170

Chương 6 171

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 171

6.1 Các kết quả đạt được của đề tài 171

6.2 Hướng phát triển của đề tài 172

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 166

CHƯƠNG TRÌNH CODE TÍNH TOÁN PHỤC VỤ LUẬN VĂN 175

PL.1 Chương trình tính FT cho tín hiệu dừng 169

PL.2 Chương trình tính FT cho tín hiệu không dừng 170

PL.3 Chương trình tính FT cho xung Dirac 171

PL.4 Chương trình tính STFT cho tín hiệu không dừng 172

PL.5 Chương trình tính CWT cho tín hiệu không dừng 173

PL.6 Chương trình tính FT, STFT, CWT cho xung Dirac 175

PL.7 Chương trình tính FT, STFT, CWT cho tín hiệu không dừng 177

PL.8 Chương trình xác định thông số xung sét 177

PL.9Chương trình phân tích mức năng lượng cho tín hiệu 178

Trang 17

CHỮ VIẾT TẮT

AC: ký hiệu nguồn xoay chiều

DC: ký hiệu nguồn 1 chiều

AC&DC : nguồn xoay chiều và một chiều

FT : biến đổi Fourier

STFT : biến đổi Fourier thời gian ngắn

CWT : biến đổi wavelet liên tục

DWT : biến đổi wavelet rời rạc

Trang 18

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Sự phóng điện sét 8

Hình 2.2 Sự phân bố điện tích trong đám mây dông 9

Hình 2.3 Sự hấp thụ ion bởi các giọt nước đã bị phân cực 10

Hình 2.4 Điện tích trong đám mây 11

Hình 2.5 Sự hình thành những dãy sáng mờ của sét 12

Hình 2.6 Sự hình thành phóng điện ngược 14

Hình 2.7 Kết thúc quá trình phóng điện sét 15

Hình 2.8 Sơ đồ mạch RC 18

Hình 2.9 Điện áp trên C theo phương trình 19

Hình 2.10 Sơ đồ mạch RL 19

Hình 2.11 Điện áp trên L theo phương trình 20

Hình 2.12 Sơ đồ mạch RLC 20

Hình 2.14 Sơ đồ mạch RL 22

Hình 2.15 Điện áp trên L theo phương trình 23

Hình 2.16 Sơ đồ mạch RC 23

Hình 2.18 Sơ đồ mạch RLC 25

Hình 3.1 FT của tín hiệu dừng 31

Hình 3.2 FT của tín hiệu không dừng 32

Hình 3.3 FT của tín hiệu xung Dirac 33

Hình 3.4 STFT của tín hiệu không dừng gồm các tần số 200, 300, 400 và 600 Hz tồn tại ở 4 khoảng thời gian nối tiếp nhau - được thực hiện với cửa sổ Kaiser 37

Hình 3.5 Biến đổi Wavelet 40

Trang 19

Hình 3.6 Mô tả các miền biến đổi của tín hiệu 40

Hình 3.7 Sóng sin và wavelet 41

Hình 3.8 Rời rạc hóa mặt phẳng thời gian tần số bằng các viên ngói định vị trong CWT và các hàm wavelet tương ứng 44

Hình 3.9 So sánh giữa phép biến đổi Fourier thời gian ngắn và phép biến đổi Wavelet theo các phép toán cơ bản trên hàm cơ sở làm ảnh hưởng lên viên ngói thời gian - tần số 44

Hình 3.10 CWT của tín hiệu không dừng gồm các tần số 200, 45

Hình 3.11 Tín hiệu xung Dirac xuất hiện ở thời gian t0 = 0.1 47

Hình 2.12 Tín hiệu sine với 4 khoảng tần số liên tiếp 47

Hình 3.13 Minh hoạ lưới nhị tố dyadic với các giá trị của m và n 49

Hình 3.14 Sơ đồ phép biến đổi DWT 49

Hình 3.15Phân tách đa mức 50

Hình 3.16 Sơ đồ tương đương 1 phép biến đổi IDWT 50

Hình 3.17 Bộ lọc gương cầu phương 51

Hình 3.18 Hàm (t) của biến đổi Haar 52

Hình 3.19 Hàm (t) của biến đổi Wavelet Hat Mexican 52

Hình 3.20 Hàm  t của họ biến đổi Daubechies n với n=2, 3, 7, 8 53

Hình 4.1 Mô hình xung sét chuẩn 1.2/50 (s) 58

Hình 4.2 Dạng sóng xung sét chuẩn 1.2/50 (s) 59

Hình 4.7 Mô hình đóng tụ mạch RC 61

Hình 4.8 Dạng sóng trên tụ mạch RC nguồn DC 62

Hình 4.9 Mô hình đóng cuộn cảm mạch RL nguồn DC 62

Hình 4.10 Tín hiệu quá độ trên L với mạch RL nguồn DC 63

Trang 20

Hình 4.11 Mô hình đóng tụ với mạch RLC nguồn DC 63

Hình 4.12 Tín hiệu quá độ trên C với mạch RLC nguồn DC 64

Hình 4.13 Tín hiệu quá độ trên L với mạch RLC nguồn DC 64

Hình 4.14 Mô hình đóng cuộn cảm với mạch RL nguồn AC 65

Hình 4.15 Tín hiệu điện áp quá độ trên L với mạch RL nguồn AC 65

Hình 4.16 Mô hình đóng tụ với mạch RC nguồn AC 66

Hình 4.17 Tín hiệu điện áp quá độ trên C với mạch RC nguồn AC 66

Hình 4.18 Mô hình đóng tụ với mạch LCnguồn AC 67

Hình 4.19 Tín hiệu điện áp quá độ trên C và L với mạch LC nguồn AC 67

Hình 4.20 Mô hình đóng tụ với mạch RLC nguồn AC 68

Hình 4.21 Tín hiệu điện áp quá độ trên C với R 0 , 68 nguồn AC 68

Hình 4.22 Phóng to điện áp quá độ của tụ với R 0 , 68 nguồn AC 69

Hình 4.23 Tín hiệu điện áp quá độ trên L với R 0 , 68 nguồn AC 69

Hình 4.24 Phóng to điện áp quá độ của L với R 0 , 68 nguồn AC 70

Hình 4.25 Tín hiệu điện áp quá độ trên C với R10 nguồn AC 70

Hình 4.26 Tín hiệu điện áp quá độ trên L với R10 nguồn AC 71

Hình 4.27 Tín hiệu điện áp quá độ trên C với R100 nguồn AC 71

Hình 4.28 Tín hiệu điện áp quá độ trên L với R100 nguồn AC 72

Hình 4.29 Mô hình đóng cuộn cảm với mạch RL nguồn AC&DC 72

Hình 4.30 Tín hiệu điện áp quá độ trên L với mạch RL nguồn AC&DC 73

Hình 4.31 Mô hình đóng tụ với mạch RC nguồn AC&DC 73

Hình 4.32 Tín hiệu điện áp quá độ trên C với mạch RC nguồn AC&DC 74

Hình 4.33 Mô hình đóng tụ với mạch LC nguồn AC&DC 74

Hình 4.34 Tín hiệu điện áp quá độ trên C và L, mạch LC nguồn AC&DC 75

Hình 4.35 Mô hình đóng tụ trong mạch RLC với R = 0,68 nguồn AC&DC 75

Hình 4.36 Tín hiệu điện áp quá độ trên C với R 0 , 68 nguồn AC&DC 76

Hình 4.37 Tín hiệu điện áp quá độ trên L với R10 nguồn AC&DC 76

Hình 4.38Tín hiệu điện áp quá độ trên C với R100 nguồn AC&DC 77

Trang 21

Hình 4.39 Tín hiệu điện áp quá độ trên L với R100 nguồn AC&DC 77

Hình 4.40Mô hình đóng tụ cộng hưởng với 0 78

Hình 4.41 Tín hiệu điện áp quá độ trên C với 0 78

Hình 4.42 Tín hiệu điện áp quá độ trên L với 0 79

Hình 4.43 Mô hình đóng tụ cộng hưởng với  30 79

Hình 4.44Tín hiệu điện áp quá độ trên C với  30 80

Hình 4.45 Tín hiệu điện áp quá độ trên L với  30 80

Hình 4.46 Mô hình đóng tụ cộng hưởng với 0  3 81

Hình 4.47 Tín hiệu điện áp quá độ trên C với 0 3 81

Hình 4.48 Tín hiệu điện áp quá độ trên L với 0 3 82

Hình 4.49 Mô hình xung sét 1.2/50 µs, 100kA đánh vào đường dây 110kV 82

Hình 4.50 Quá điện áp khí quyển trên tải khi có xung 1.2/50 µs 83

Hình 4.51 Phóng to Quá điện áp khí quyển trên tải khi có xung 1.2/50 µs 83

Hình 5.1 Phân tích 13 mức năng lượng của sóng sin 88

Hình 5.2 Tín hiệu gốc và tín hiệu ở mức phân giải thứ 13 mạch RLC 89

Hình 5.4 Các mức năng lượng trên C trong mạch RLC 91

Hình 5.5 Tín hiệu gốc và tín hiệu ở mức phân giải thứ 13 mạch RLC 92

Hình 5.6 Thành phần xấp xỉ và chi tiết trên L với mạch RLC 93

Hình 5.7 Các mức năng lượng trên L trong mạch RLC với R = 0,68  94

Hình 5.8 Các mức năng lượng trên C trong mạch RLC với R=10  95

Hình 5.9 Các mức năng lượng trên L trong mạch RLC với R=10  96

Hình 5.10 Các mức năng lượng trên C trong mạch RLC với R=100  97

Hình 5.11 Các mức năng lượng trên L trong mạch RLC với R=100  98

Hình 5.12 Các mức năng lượng trên C trong mạch RC, R=0.68  99

Trang 22

Hình 5.13 Các mức năng lƣợng trên L trong mạch RL, R=0.68  100

Hình 5.14 Tín hiệu gốc và mức phân giải thứ 3 mạch RL nguồn AC 102 Hình 5.15 Thành phần xấp xỉ và chi tiết mạch RL nguồn AC 102

Hình 5.17 Tín hiệu gốc và mức phân giải thứ 4 mạch RC nguồn AC 103 Hình 5.18 Thành phần xấp xỉ và chi tiết mạch RC nguồn AC 104

Hình 5.20 Tín hiệu gốc và mức phân giải thứ 3 mạch LC nguồn AC 105 Hình 5.21 Thành phần xấp xỉ và chi tiết trên C với mạch LC nguồn AC 106 Hình 5.22 Các mức năng lƣợng trên C mạch LC nguồn AC 106 Hình 5.23 Tín hiệu gốc và mức phân giải thứ 5 trên L mạch LC nguồn AC 107 Hình 5.24 Thành phần xấp xỉ và chi tiết trên L với mạch LC nguồn AC 108 Hình 5.25 Các mức năng lƣợng trên C mạch LC nguồn AC 108 Hình 5.26 Tín hiệu gốc và mức phân giải thứ 5 mạch RLC nguồn AC 109 Hình 5.27 Thành phần xấp xỉ và chi tiết trên C với mạch RLC nguồn AC 110

Hình 5.30 Tín hiệu gốc và mức phân giải thứ 5 với R=10  nguồn AC 112

Hình 5.31 Thành phần xấp xỉ và chi tiết trên C với R=10 nguồn AC 113

Hình 5.32 Các mức năng lƣợng trên C vớiR=10  nguồn AC 113

Hình 5.33 Các mức năng lƣợng trên L vớiR=10  nguồn AC 114

Hình 5.34 Tín hiệu gốc và mức phân giải thứ 4 với R=100 nguồn AC 115

Hình 5.35 Thành phần xấp xỉ và chi tiết trên C với R=100  nguồn AC 116

Hình 5.36 Các mức năng lƣợng trên C với R=100  nguồn AC 116

Hình 5.37 Các mức năng lƣợng trên L với R=100  nguồn AC 117

Hình 5.38 Tín hiệu gốc và mức phân giải thứ 4 mạch RL nguồn DC và AC 119 Hình 5.39 Thành phần xấp xỉ và chi tiết mạch RL nguồn AC và DC 119 Hình 5.40 Các mức năng lƣợng trong mạch RL nguồn AC và DC 120

Trang 23

Hình 5.41 Tín hiệu gốc và mức phân giải thứ 4 mạch RC nguồn AC và DC 120 Hình 5.42 Thành phần xấp xỉ và chi tiết mạch RC nguồn AC và DC 121 Hình 5.43 Các mức năng lƣợng trên C mạch RC nguồn AC và DC 121 Hình 5.44 Tín hiệu gốc và mức phân giải thứ 5 mạch LC nguồn AC và DC 122 Hình 5.45 Thành phần xấp xỉ và chi tiết mạch LC nguồn AC và DC 123 Hình 5.46 Các mức năng lƣợng trong mạch LC nguồn AC và DC 123 Hình 5.47 Các mức năng lƣợng trong mạch LC nguồn AC và DC 124

Hình 5.49 Thành phần xấp xỉ và chi tiết trên C với R0.68nguồn AC và

DC 126

Hình 5.50 Các mức năng lƣợng trên C với R0.68 nguồn AC và DC 126

Hình 5.51 Các mức năng lƣợng trên L vớiR0.68nguồn AC và DC 127

Hình 5.54 Các mức năng lƣợng trên C vớiR10 nguồn AC và DC 129

Hình 5.55 Các mức năng lƣợng trên L vớiR10 nguồn AC và DC 130

Hình 5.58 Các mức năng lƣợng trên C với R100 nguồn AC và DC 132

Hình 5.59 Các mức năng lƣợng trên L với R100 nguồn AC và DC 133

Trang 24

Hình 5.69 Năng lƣợng trên L, 30và R = 0.68 141

Hình 5.70 Năng lƣợng trên L, 30và R = 10 142

Hình 5.71 Năng lƣợng trên L, 30và R = 100 142

Hình 5.72 Tín hiệu gốc và tín hiệu ở mức phân giải thứ 6 với 0  3 144

Hình 5.73 Thành phần xấp xỉ và chi tiết trên C với với 0  3 144

Hình 5.74 Các mức năng lƣợng trên C với 0  3 145

Hình 5.75 Tín hiệu gốc và tín hiệu ở mức phân giải thứ 6 với 0  3 145

Hình 5.76 Thành phần xấp xỉ và chi tiết trên C với với 0  3 146

Hình 5.77 Các mức năng lƣợng trên C với 0  3 146

Hình 5.78 Tín hiệu gốc và tín hiệu ở mức phân giải thứ 5 mạch RLC 150 Hình 5.79 Thành phần xấp xỉ và chi tiết mạch có xung sét 1,2/50 (s) 151

Hình 5.80 Các mức năng lƣợng trong mạch có xung sét 1.2/50 (s) 152

Hình 5.81 Tín hiệu mạch có xung sét 1.2/50 (µs) khi tăng R 10 lần 152 Hình 5.82 Các mức năng lƣợng mạch có xung sét 1.2/50 khi tăng R 10 lần 153

Hình 5.84 Thành phần xấp xỉ và chi tiết mạch có xung sét 1.56/40 (s) 155

Hình 5.85Các mức năng lƣợng trong mạch có xung sét 1.56/40 (s) 155

Trang 25

Bảng 5.5 phân tích mức năng lượng với tần số cộng hưởng  30 143

Bảng 5.6 phân tích mức năng lượng với tần số cộng hưởng 0  3 147

Bảng 5.8tổng các mức năng lượng trên L mạch RLC với R = 0.68 149 Bảng 5.9 phân tích mức năng lượng với nhiễu do xung sét 161

Trang 26

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Bước vào thế kỷ 21, ngành điện Việt Nam đang có những bước phát triển đáng kể nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng của nền kinh tế Việt Nam Nhiều nhà máy nhiệt điện, thủy điện, năng lượng tái tạo… cùng hệ thống truyền tải điện siêu cao áp, phân phối điện cao áp và trung áp được quy hoạch, thiết kế và xây dựng trên toàn đất nước để xây dựng một hệ thống lưới điện quốc gia ổn định đảm bảo cho nhu cầu điện năng của các ngành kinh tế và phục vụ đời sống sinh hoạt cộng đồng Do vậy

hệ thống điện Việt Nam cũng phải ngày càng phát triển để đảm nhận tốt vai trò của mình Mặt khác, sự hình thành và phát triển của các dạng sóng quá điện áp trên đường dây đóng một vai trò quan trọng đến quá trình vận hành của toàn hệ thống Chúng được coi là các tác nhân không mong muốn, gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của hệ thống

Thuật ngữ“chất lượng điện năng” có nhiều ý nghĩa khác nhau, bằng nhiều sự

cố gắng có thể để mô tả sự tác động của nó đối với sự vận hành hệ thống Các công

ty điện lực có thể mô tả chất lượng điện năng như sự tin cậy và đưa ra sự đánh giá thống kê hệ thống đó là 99,95% độ tin cậy Việc sản xuất các thiết bị thường xác định rõ chất lượng điện năng như là các đặc tính của nguồn điện, điều đó có thể làm biến đổi một cách mạnh mẽ đối với các nhà cung cấp khác nhau Tuy nhiên, khách hàng là thành phần chịu ảnh hưởng cuối cùng bởi các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng và sự định nghĩa tốt nhất nên phải bao gồm cả quan điểm của họ và thường được định nghĩa như sau: “ Chất lượng điện năng là: Bất kỳ sự cố điện nào thể hiện sự chênh lệch điện áp, dòng điện, hay tần số mà kết quả của nó dẫn đến việc mất điện hay vận hành sai các thiết bị của khách hàng “

Có nhiều sự việc mà có thể là nguyên nhân của một hoặc nhiều sự cố chất lượng điện năng Sự phân tích các sự việc này thường khó khăn bởi vì nguyên nhân

Trang 27

thực tế của sự việc có thể liên quan đến một vài sự vận hành chuyển đổi bên trong máy hay một sự cố hệ thống điện cách xa hàng trăm dặm Trong nghành điện xét về tính kỹ thuật thì vấn đề về đảm bảo chất lượng điện năng là một trong những tiêu chí hành đầu Vì vậy, việc phân loại các dạng quá điện áp xảy ra trên hệ thống làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng là rất cần thiết để kịp thời phát hiện, ngăn chặn ảnh hưởng của chúng lên các thiết bị, đặc biệt là các thiết bị điện tử Đó chính là lý

do người thực hiện chọn đề tài: “Ứng dụng Wavelet trong việc nhận dạng quá điện áp”

Trong Luận văn này người thực hiện đánh giá một số vấn đề chất lượng điện năng rất thông dụng liên quan đến các hiện tượng thực tế như: Sét đánh vào đường dây, đóng Tụ điện, Máy biến áp, Máy phát, Động cơ, thông qua việc đóng các phần

tử đặc trưng L và C bằng cách mô phỏng bằng Simulink trong phần mềm Matlab 12.0

Hướng nghiên cứu áp dụng vào thực tế dùng kỹ thuật Wavelet, nhất là trong ngành điện hiện nay đã và đang nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới Kỹ thuật Wavelet, vốn ban đầu được phát triển một cách độc lập trong các lĩnh vực toán học ứng dụng, xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh và ứng dụng máy tính thì ngày nay đã được ứng dụng vào các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau Trong ngành điện, kỹ thuật này đã được áp dụng thành công trong việc nhận dạng các loại tín hiệu dòng, áp, công suất, … Có rất nhiều bài báo về đề tài này đã được giới thiệu trên các tạp chí uy tín của Quốc tế như IEE và các kỷ hiếu các hội nghị khoa học quốc tế được tổ chức ở các trường đại học lớn

Ngoài ra, cũng có một hướng phát triển thêm về trí tuệ nhân tạo cũng được hình thành từ wavelet Đó là công nghệ mạng Wavelet, là sự kết hợp giữa mạng Nơ-rôn với các phần tử xử lý là các Wavelet với nguyên lý hoạt động như mạng Nơ-rôn nhưng có cách thức xử lý phức tạp hơn

Trong Luận Văn, người thực hiện cũng sử dụng kỹ thuật Wavelet rời rạc dựa trên giải thuật tính toán biến đổi Wavelet trong các khoảng thời gian mô phỏng và

Trang 28

hỗ trợ chặt với các Wavelet Daubechies phân tích tín hiệu thành các thành phân xấp

xỉ (Approximation) và thành phần chi tiết (Detail) để tách thành phần nhiễu của tín hiệu Các thành phần chi tiết sẽ được đưa vào tính toán các mức năng lượng tương ứng Do đó nội dung tổng thể của Luận văn được trình bày như sau:

Nhằm có một cái nhìn tổng quan cho người đọc về nội dung của Luận văn Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Với mục đích nhận dạng các loại quá điện áp xuất hiện trong hệ thống điện, người thực hiện đã tiến hành nghiên cứu, khảo sát một số dạng quá điện áp tiêu biểu, thường xuất hiện trong hệ thống điện để tiến hành nghiên cứu Chương 2 của Luận văn sẽ trình bày tổng quan về các hiện tượng quá điện áp trong hệ thống điện

Các kết quả nghiên cứu trước đây cho thấy việc dùng Wavelet để phân tích tín hiệu sẽ cho ta nhiều thông tin định lượng hơn so với dùng Fourier Chương 3 của Luận văn sẽ trình về cơ sở lý thuyết của phép biến đổi Fourier và phép biến đổi Wavelet

Đây là một đề tài khảo sát nhận dạng trên mô hình nên Chương 4 sẽ giới thiệu về các công cụ mô phỏng và thực hiện mô phỏng các dạng quá điện áp dựa trên phần mềm Matlab 12.0 và ngôn ngữ tính toán Matlab

Chương 5 là Chương trọng tâm của Luận Văn, người thực hiện sẽ dùng kỹ thuật Wavelet rời rạc để phân tích tín hiệu, dùng Wavelet với họ Daubechies 4 để tách thành phần nhiễu của tín hiệu và nhận dạng quá điện áp bằng kỹ thuật wavelet

Chương 6 sẽ đưa ra các kết luận và công việc thực hiện tiếp theo và cuối cùng là phần mã nguồn của chương trình được sử dụng trong Luận văn sẽ được giới thiệu trong phần phụ lục

Các công trình đã nghiên cứu trước đây

PGS.TS Hồ Văn Nhật Chương, Phạm Đình Anh Khôi, Luận văn Thạc sỹ Ứng dụng kỹ thuật wavelet nhận dạng quá điện áp trong hệ thống điện

Trang 29

Nguyễn Hữu Phúc, Trương Đình Nhơn, Kỹ thuật phân tích wavelet kết hợp với fuzzy logic để nhận dạng nhiễu trong hệ thống điện, tạp chí phát triển KH&CN, tập 9, số 5, 2006

Nguyễn Hữu Phúc, Trương Quốc Khánh, Nguyễn Nhân Bổn, Ứng dụng kỹ thuật wavelet trong việc phân tích và nhận dạng các vấn đề chất lượng điện năng, tạp chí phát triển KH&CN, tập 9, số 1, 2006

1.2 Mục đích và giới hạn của đề tài

1.2.1 Mục đích

Với đề tài ”Ứng dụngWavelettrong việc nhận dạng quá điện áp”sau khi hoàn thành sẽ xây dựng các dạng quá điện áp tiêu biểu trên hệ thống để phục vụ cho quá trình nghiên cứu sau này So sánh tính hiệu quả của phương pháp biến đổi Wavelet với phép biến đổi Fourier Tìm được các mức năng lượng của các quá điện áp điển hình trên đường dây truyền tải – phân phối điện năng như: quá điện áp khí quyển, quá điện áp nội bộ, quá điện áp cộng hưởng đối với nguồn một chiều và xoay chiều

Từ đó giúp ta phân loại chính xác các dạng quá điện áp xảy ra trên hệ thốngđể tìm cách khắc phục bằng cách lắp các thiết bị lọc nhiễu, các thiết bị chống quá điện áp phù hợp để đảm bảo ổn định chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng

Sau khi hoàn thành, đề tài này có thể đưa vào phục vụ cho việc giảng dạy tại các trường kỹ thuật

1.2.2 Giới hạn

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu: các mức năng lượng khi quá điện áp

Mô phỏng một số dạng quá điện áp tiêu biểu bằng các phần tử R, L, C

Sử dụng biến đổi Waveletrời rạc để phân tích các mức năng lượng của các dạng quá điện áp tiêu biểu

Trang 30

1.3 Phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu các dạng quá điện áp tiêu biểu thường xảy ra trên hệ thống điện như: đóng tụ đối với nguồn 1 chiều, nguồn xoay chiều, thay đổi các phần tử đặc trưng trên sơ đồ mô phỏng R, L, C nghiên cứu quá điện áp khí quyển trên đường dây 110kV

1.3.2Phương pháp nghiên cứu

Để đáp ứng được các mục tiêu đề ra, đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

Sử dụng phương pháp biến đổi Fourier và Wavelet để phân tích phổ của một

số tín hiệu tiêu biểu

Sử dụng phương pháp biến đổi Wavelet rời rạc nghiên cứu các mức năng lượng khi có quá điện áp

Tìm hiểu về cách xử lý số tín hiệu và Wavelet

Tìm hiểu về phương pháp lập trình Matlab và ứng dụng

Thu thập và tham khảo các tài liệu liên quan trong và ngoài nước

Khảo sát và tham khảo các đề tài trước làm cơ sở thực hiện cho đề tài

Tham khảo các trang web và bài báo nghiên cứu trong và ngoài nước

Sử dụng phần mềm Matlab để làm công cụ thực hiện các kết quả mô phỏng của luận văn

1.4 Điểm mới của luận văn

Mô phỏng được các dạng quá điện áp tiêu trên phần mềm Matlab với nguồn một chiều, xoay chiều, quá điện áp cộng hưởng

Lập được chương trình tính các mức năng lượng của tín hiệu khi được mô phỏng trong Matlab

Trang 31

Phân tích mức năng lượng của các loại quá điện áp tiêu biểu Nhận dạng chính xác, dễ dàng các dạng quá điện áp trên hệ thống điện khi mô phỏng bằng phần mềm Matlab

Chương 2

QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

ó thể nói, sự hình thành và phát triển của các dạng sóng quá điện áp trong

hệ thống điện đóng một vai trò quan trọng đến quá trình vận hành của tổng thể hệ thống Chúng được coi là các tác nhân không mong muốn, gây ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của hệ thống điện Và nếu như đứng ở góc độ nhà kỹ thuật, công việc tìm hiểu được những đặc điểm của chúng để từ đó đưa ra những phương án khắc phục sẽ là công việc quan trọng nhất, bởi kết quả của công việc đó

sẽ góp phần làm giảm đi đáng kể tầm ảnh hưởng của quá điện áp Đưa đến tình trạng vận hành an toàn cho hệ thống

c

Trang 32

2.1 Tổng quan về quá điện áp

Khi khảo sát về quá điện áp trong hệ thống điện, người ta thường quan tâm đến việc nghiên cứu về biên độ, hình dạng, khoảng thời gian tồn tại và tần số xuất hiện của chúng Ngoài ra việc nghiên cứu không chỉ thực hiện tại điểm xuất hiện quá điện áp, mà còn được tiến hành dọc theo hệ thống truyền tải nơi có sóng quá điện áp lan truyền

Hiện tượng quá điện áp có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điện năng, đến vấn đề bảo vệ đường dây truyền tải và các thiết bị điện Do đó, cần phải thực hiện quá trình nghiên cứu, phân loại các dạng quá điện áp, tìm hiểu các đặc điểm, tính chất, tác hại và những nguyên nhân chính gây nên các hiện tượng này

2.2 Phân loại

Điện áp đặt lên cách điện của hệ thống truyền tải có nguồn gốc hình thành rất

đa dạng Trong vận hành thông thường, giá trị của điện áp xoay chiều tần số công nghiệp sẽ không ảnh hưởng đến mức cách điện của các phần tử trong hệ thống điện Tuy nhiên, chính các giá trị của điện áp vận hành này sẽ quyết định mức điều kiện đầu đối với sóng quá điện áp phát sinh trong hệ thống Các dạng quá điện áp xuất hiện trong hệ thống tổng quát có thể được chia làm 2 loại chính

Trang 33

1 Quá điện áp khí quyển: được hình thành bởi các nhiễu loại bên ngoài Trong đó, phóng điện sét là thành phần chủ yếu gây nên

2 Quá điện áp nội bộ: xuất hiện do việc thay đổi điều kiện vận hành của hệ thống Quá điện áp nội bộ có thể được chia thành:

 Quá điện áp đóng cắt (thao tác)

 Quá điện áp cộng hưởng

Xác suất xảy ra đồng thời hai loại quá điện áp này rất nhỏ, do đó có thể bỏ qua Biên độ điện áp sét xuất hiện trên đường dây truyền tải không phụ thuộc vào thiết kế đường dây, vì vậy cần tăng mức cách điện của thiết bị đối với hiện tượng sét Mặtkhác, trị số quá điện áp đóng cắt tỷ lệ thuận với điện áp vận hành Tuy nhiên, về mặt thiết kế cách điện cho hệ thống, cần phải xem xét một mức dung hòa giữa hai yếu tố kinh tế và kỹ thuật bởi đây thường là phương án tối ưu trong thực tế

Do đó, điện áp vận hành hệ thống thiết kế thay đổi từ giá trị điện áp đóng cắt cho đến điện áp sét, chủ yếu cho cấp điện áp 500kV Trong khoảng từ 300 kV đến 765

kV, cần phải tính toán cả quá điện áp sét và quá điện áp đóng cắt Đối với cấp điện

áp lớn hơn 700 kV, tính toán thiết kế cách điện chỉ cần thỏa mãn giá trị điện áp đóng cắt

2.3 Quá điện áp khí quyển:

2.3.1Quá điện áp và nguồn gốc quá điện áp khí quyển:

 Quá điện áp (over voltage) là thành phần điện áp có thời gian rất ngắn (10-6

s)

và biên độ lớn

 Nguồn gốc (origin) do phóng điện sét

 Các dạng (classification) gồm: phóng điện bên trong đám mây, phóng điện giữa các đám mây, phóng điện giữa đám mây với đất

Trang 34

Hình 2.1 Sự phóng điện sét 2.3.2Sự hình thành các đám mây dông mang điện tích:

Sét thực chất là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn Chiều dài trung bình của khe sét khoảng 3–5km, phần lớn chiều dài đó phát triển trong các đám mây dông Quá trình phóng điện của sét tương tự như quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn

Thực tế, sự hình thành các cơn dông luôn luôn gắn liền với sự xuất hiện của những luồng không khí nóng ẩm khổng lồ từ mặt đất bốc lên Các luồng không khí này được tạo thành hoặc do sự đốt nóng mặt đất bởi ánh nắng mặt trời hoặc do sự gặp nhau của các luồng không khí nóng ẩm với không khí lạnh, sau đó luồng không khí nóng ẩm sẽ bị đẩy lên trên Đối với các vùng đồi núi cao, các luồng không khí nóng ẩm trườn theo sườn núi lên cao và được gọi là dông địa hình Sau khi đã đạt được một độ cao nhất định (khoảng vài km trở lên), vùng không khí nóng ẩm này đi vào vùng nhiệt độ âm, bị lạnh đi, hơi nước ngưng tụ lại thành những giọt nước li ti

Trang 35

hoặc thành các tinh thể băng Chúng tạo thành đám mây dông, còn được gọi là mây tích vũ (cumulonimbus)

Hình 2.2 Sự phân bố điện tích trong đám mây dông

Đã từ lâu, con người đã biết khẳng định rằng nguồn tạo ra điện trường giữa các mây giông và mặt đất chính là những điện tích được tích tụ trên các hạt nước li

ti và các tinh thể băng của các đám mây dông đó Các giọt nước lớn, do trọng lượng của nó nên đã rơi xuống gặp các ion tự do (gần mặt đất có khoảng 600 đôi ion trong

1 cm3 không khí và càng lên cao thì mật độ ion càng cao) bay chậm hơn trong không khí, hấp thụ các ion âm bằng đầu dương của nó ở phía trước và đẩy các ion dương tự do ra xa Kết quả là giọt nước mang điện tích âm sẽ thừa

Trang 36

Hình 2.3Sự hấp thụ ion bởi các giọt nước đã bị phân cực

Các giọt nước bé đã phân cực, thì bị các luồng không khí đẩy lên phía trên hấp thụ các ion dương bằng đầu âm của mình, đẩy ion âm tự do ra xa và do đó giọt nước mang điện tích âm sẽ thừa Như vậy với giả thuyết này, thì phần dưới của các đám mây dông sẽ mang điện tích âm là phù hợp với thực tế vì phần lớn các phóng điện sét xuống đất (80-90%) có cực tính âm Với thuyết này vẫn chưa giải thích một cách triệt để về nguồn gốc điện tích của các đám mây dông và sự phân li của chúng, khiến người ta nghĩ rằng trong thực tế có thể có nhiều nguyên nhân đồng thời tác động và rất phức tạp Nhưng có điều chắc chắn là trong suốt cơn dông, các điện tích dương và điện tích âm bị các luồng không khí mãnh liệt tách rời nhau, gắn liền với

sự phân bố các tinh thể băng tuyết trên tần đỉnh và các giọt nước mưa ở tầng đáy của đám mây dông Sự tách rời của điện tích này tùy thuộc vào độ cao của đám mây, nằm trong khoảng tử 200-10.000 m, với tâm của chúng cách nhau ước từ 300-5.000m, lượng điện tích trong các đám mây tham gia vào cơn sét vào khoảng 1-100C và có thể cao hơn Điện thế của các đám mây dông vào khoảng 107-108 V, năng lượng tỏa ra bởi một cơn sét khoảng 250kWh

Trang 37

Hình 2.4Điện tích trong đám mây

Kết quả quan sát cho thấy phần dưới của các đám mây dông chủ yếu chứa điện tích âm, do đó cảm ứng trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện không khí khổng lồ Cường độ điện trường trung bình nơi đồng nhất thường ít khi quá 1kV/cm, nhưng cá biệt nơi mật độ điện tích cao, hoặc nơi có vật dẫn điện tốt nhô lên cao trên mặt đất thì điện trường cục bộcó thể cao hơn nhiều

và có thể đạt đến ngưỡng ion hóa không khí (ở mặt đất trị số này 25-30kV/cm và càng lên cao càng giảm, ở độ cao một vài km giảm còn khoảng 10kV/cm) sẽ gây ion hóa không khí tạo thành dòng plasma, mở đầu cho quá trình phóng điện sét phát triển giữa đám mây dông và đất

2.3.3Quá trình phóng điện của sét:

Khi các lớp này được tích điện (khoảng 80% số trường hợp phóng điện sét xuống đất của mây có điện tích âm) tới mức độ có thể tạo nên cường độ trường lớn

sẽ hình thành nên dòng phát triển về phía mặt đất Giai đoạn này được gọi là giai đoạn phóng tia tiên đạo và dòng này được gọi là dòng tiên đạo Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của số lần phóng điện đầu tiên khoảng 1,5x107 cm/s Các lần sau mạnh hơn và đạt tới 2x108 cm/s (trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là ba lần, điều này được giải thích bởi trong cùng một lớp mây điện có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lượt

Trang 38

phóng điện xuống đất)

2.3.4Các giai đoạn phóng điện của sét:

a.Giai đoạn 1:

Đầu tiên xuất phát từ đám mây một dãy sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn

về phía mặt đất với tốc độ trung bình vào khoảng từ 105 – 107 m/s Đây là giai đoạn phóng điện tiên đạo từng đợt và được gọi là tiên đạo bậc Kênh tiên đạo là một dòng plasma với mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 1013-1014 ion/m3 Đầu tia nối với một trong các trung tâm điện tích của lớp mây điện nên một phần điện tích của trung tâm này đi vào trong tia tiên đạo và phân bố xem như gần đều dọc theo chiều dài của tia Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung của điện tích trái dấu trên mặt đất Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì địa điểm này nằm ngay

ở phía dưới tia tiên đạo Trường hợp mặt đất có nhiều nơi điện dẫn khác nhau thì điện tích trong đất sẽ tập trung về những nơi có điện dẫn cao như: các ao hồ, sông, suối …

Hình 2.5Sự hình thành những dãy sáng mờ của sét

Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa các tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất vì ở đó cường độ điện trường có trị

Trang 39

số lớn nhất và như vậy là địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn Tính chọc lọc của phóng điện đã được ứng dụng trong việc bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình: cột thu lôi có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất bé sẽ thu hút các phóng điện sét về phía mình, do đó tạo nên khu vực an toàn xung quanh nó nhưng ngược lại xác xuất sét đánh xuống tại vị trí đó sẽ tăng lên so với những vị trí khác

Trong giai đoạn đầu, hướng phát triển của các tia tiên đạo là ngẫu nhiên nhưng chúng tuân thủ theo nguyên tắc là phát triển theo hướng có cường độ điện trường cao nhất Khi kênh tiên đạo đạt đến một mật độ nhất định, gọi là độ cao định hướng, thì hướng phát triển của các tia tiên đạo sẽ chịu ảnh hưởng của các vật bên dưới mặt đất, nơi có sự tập trung điện tích cảm ứng cao Do đó vị trí đổ bộ của dòng sét có tính chọn lọc Ở các vị trí tập trung điện tích trái dấu với mật độ cao, cường độ điện trường cục bộ trong không khí tại đó cao, làm xuất hiện sự ion hóa không khí tạo nên dòng tiên đạo phát triển từ bên dưới hướng lên đám mây, chiều dài của kênh tiên đạo ngược này có thể lên đến vài trăm mét Đây chính là quá trình phóng điện đón sét, tạo điều kiện định hướng dòng sét vào vị trí đó

b.Giai đoạn 2:

Giai đoạn phóng điện chính hay phóng điện ngược

Khi kênh tiên đạo xuất phát từ đám mây tiếp cận mặt đất hay kênh tiên đạo ngược, cường độ điện trường trong khoảng cách khí tăng cao gây ion hóa mãnh liệt không khí dẫn đến sự hình thành dòng plasma mới, có mật độ điện tích tăng cao hơn nhiều so với ban đầu 106-1019 ion/m3 Các điện tích dưới mặt đất tràn lên trung hòa với các điện tích trong kênh tiên đạo từ đám mây, các điện tích cảm ứng này tiếp tục

đi theo đường phóng điện của tia tiên đạo ban đầu và tiếp tục hướng lên đám mây hình thành nên kênh phóng điện chính

Trang 40

Khi kênh phóng điện chính lên đến đám mây, dòng sét có giá trị lớn nhất Đây chính là dòng ngắn mạch khoảng cách khí giữa mây và đất, có giá trị từ 1KA đến hàng trăm KA

c.Giai đoạn 3:

Giai đoạn kết thúc

Khi kênh phóng điện chính lên đến đám mây, các điện tích cảm ứng từ mặt đất lên theo tràn vào và trung hòa với các điện tích trái dấu trên đám mây, các điện tích

Định dạng
Số trang	217
Dung lượng	5,11 MB