Ứng dụng mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất cho việc xác định chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- --- PHAN TRẦN TÍN ÁP DỤNG MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐỒNG NHẤT CHO VIỆC XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀI HIỆU QUẢ CỦA ĐI

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

PHAN TRẦN TÍN

ÁP DỤNG MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐỒNG NHẤT CHO VIỆC XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀI HIỆU QUẢ CỦA ĐIỆN CỰC NỐI ĐẤT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2017

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Vũ Phan Tú

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2:

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Trang 3

11

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 08/11/1988

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

I TÊN ĐỀ TÀI:

ÁP DỤNG MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐỒNG NHẤT CHO VIỆC XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀI HIỆU QUẢ CỦA ĐIỆN CỰC NỐI ĐẤT

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về hiện tượng quá độ của của điện cực nối đất trong quá trình tản dòng sét

- Tìm hiểu về mô hình đường dây truyền tải và phương pháp sai phân hữu hạn

- Tìm hiểu về chiều dài hiệu quả

- Sử dụng mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất để tính toán chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất

Tp HCM, ngày tháng năm 2017

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Nơi sinh: Nha Trang

Mã số: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Trang 4

VI

LỜI CÁM ƠN

Để có thể hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp như ngày hôm nay tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả những sự giúp đỡ mà mọi người đã dành cho tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa

Đầu tiên tôi muốn gửi đến là lời cảm ơn chân thành sâu sẳc đến thầy Vũ Phan Tú đã tận tình, hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức cũng như những kỉnh nghiệm quý báu và giúp đỡ tôi trong suốt quá trĩnh thực hiện đề tài của Luận Văn Tất Nghiệp

Thêm nữa tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Bộ Môn Điện Điện

Tử trường Đại Học Bách Khoa đã chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu tại trường Các thầy cô đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong những lúc gặp khó khăn bế tẳc trong suốt thời gian làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Phan Trần Tín

Trang 5

IV

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trong luận văn này, mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất được sử dụng để tính chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất Kết quả tính toán cho các trường hợp cơ bản của điện cực nối đất được so sánh với các kết quả nghiên cứu của các nghiên cứu trước đó Mô hình tính toán chiều dài hiệu quả sau đó được dùng để tính chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất với dòng sét được cho theo tiêu chuẩn IEC Kết quả thu được cung cấp thông tin hữu ích cho quá trình tính toán thiết kế điện cực nối đất

Trang 6

5

ABSTRACT

In this thesis, the non-uniform transmission line model is used to calculate the effective length of grounding electrode The results in this thesis are compared with the results in the other research papers The non-uniform transmission line model is used to calculate the effective length of electrodes in case of IEC lightning standard The estimated results provide useful information for calculating and design grounding electrode

Trang 7

vii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các số liệu, ví dụ, trích dẫn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực

Tôi xin chân thành cảm ơn

NGƯỜI CAM ĐOAN

Trang 8

8

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: Đặt vấn Đề 1

1.1 Giới thiệu: 1

1.2 Những điểm nổi bật: 1

1.3 Chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất 1

CHƯƠNG 2: Tổng quan nghiên cứu 4

2.1 Tìm hiểu về hiện tượng phóng điện sét 4

2.2 Các nghiên cứu về sét: 4

2.3 Các nghiên cứu về hệ thống nối đất: 4

2.4 Chiều dài hiệu quả: 5

CHƯƠNG 3: Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất 7

3.1 Giới thiệu: 7

3.2 Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất 7

3.2.1 Cơ sở lý thuyết: 7

3.2.2 Kết quả mô phỏng 9

3.3 Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất: 12

3.3.1 Cơ sở lý thuyết: 12

3.3.2 Kết quả mô phỏng 16

CHƯƠNG 4: Phuong pháp FDTD áp dụng cho mô hình đường dây truyền tải

21

4.1 Giới thiệu về phương trình đường dây truyền tải: 21

4.2 Áp dụng phương pháp FDTD cho phương trình đường dây truyền tải: 21

4.3 Kết quả mô phỏng: 23

CHƯƠNG 5: Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất cho xác định chiều dài hiệu quả của điện cực 28

5.1 Cơ sở lý thuyết 28

5.2 Dạng dòng sét đầu vào: 30

Trang 9

IX

5.3 Tính toán chiều dài hiệu quả của cọc nối đất: 36

5.3.1 Tính toán chiều dài hiệu quả với dòng sét trong [9]: 36

5.3.2 Tính toán chiều dài cọc nối đất với dòng sét theo tiêu chuẩn IEC: 42

CHƯƠNG 6: Kết Luận 45

6.1 Kết luận: 45

6.2 Hướng phát triển của đề tài: 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

Trang 10

IX

DANH MỤC BẢNG

Bảng 5.1 Thông số hàm Heidler dùng để mô tả dạng dòng sét 31

Bảng 5.2 Thông số dòng sét cho bởi tiêu chuẩn IEC 62305-1 32

Bảng 5.3 Thông số của hàm Heidler dùng để mô tả dạng dòng sét [9] 40

Bảng 5.4 Chiều dài hiệu quả của cọc nối đất 41 Bảng 5.5 Kết quả tính toán chiều dài hiệu quả với dòng sét theo tiêu chuẩn IEC:.„42

Trang 11

IX

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Điện áp quá độ của thanh nối đất có chiều dài lần lượt là 5 m, 10 m, 20m,2

Hình 3.1 Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất 7

Hình 3.2 Ket quả thu được từ phương pháp sai phân hữu hạn với mô hình đường dây truyền tải đồng nhất 10

Hình 3.3 Kết quả mô phỏng bằng EMTP (nét liền), kết quả tính toán bằng các công thức giải tích ( nét đứt —) và kết quả thí nghiêm thực tế (nét o o o) 10

Hình 3.4 Điện áp quá độ của thanh 20 m, 100 m (mô hình đồng nhất) 11

Hình 3.5 Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất 12

Hình 3.6 Minh họa thanh nối đất 20 m, 100 m 16

Hình 3.7 Quá trình thay đổi thông số trên đơn vị dài (L, c và G) ở phân đoạn đầu tiên của thanh nối đất dài 20 m 17

Hình 3.8 Quá điện áp tại vị trí x=0m, x=10m và x=20m trên thanh 20m thu được từ mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất 17

Hình 3.9 Điện áp quá độ của thanh nối đất có chiều dài 15 m dùng mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất 19

Hình 4.1 Mô hình đường dây truyền tải dùng trong phương pháp FDTD 21

Hình 4.2 Điện áp quá độ của cọc nối đất với dòng sét IEC cấp I, xung đầu tiên 24

Hình 4.3 Điện áp quá độ tối đa ứng với từng trường hợp chiều dài với dòng sét IEC cấp I, xung đầu tiên 25

Hình 4.4 Điện áp quá độ của cọc nối đất với dòng sét IEC cap I, xung tiếp theo 26

Hình 4.5 Điện áp quá độ tối đa của cọc nối đất ứng với từng trường hợp chiều dài với dòng sét IEC cấp I, xung tiếp theo 27

Hình 5.1 Minh họa xung sét thứ nhất và xung tiếp theo bằng hàm Heidler 31

Hình 5.2 Minh họa xung sét thứ nhất và xung tiếp theo theo tiêu chuẩn chống sét cấp 1 của IEC 33

Hình 5.3 So sánh xung sét đầu tiên khi dùng hàm mũ và hàm Heidler 34

Trang 12

xii

Hình 5.4 So sánh xung sét tiếp theo của sét khi dùng hàm Heidler và hàm mũ 35 Hình 5.5 So sánh phần đầu sóng của xung sét tiếp theo khi dùng hàm Heidler và hàm

mũ 36 Hình 5.6 Điện áp quá độ của cọc nối đất ứng với chiều dài cọc 5m, 10m, 15m, 20m với dòng sét IEC cấp 1, xung đầu tiên 37 Hình 5.7 Điện áp quá độ tối đa của cọc nối đất ứng với từng trường hợp chiều dài cọc 38 Hình 5.8 Điện áp quá độ của cọc nối đất ứng với chiều dài cọc 5m, 10m, 15m, 20m với dòng sét IEC cấp 1, xung tiếp theo 39 Hình 5.9 Điện áp quá độ tối đa ứng với từng trường hợp chiều dài cọc 40 Hình 5.10 Minh họa xung sét đầu tiên và xung sét tiếp theo theo hàm Heidler 41

Hình 5.11 Mô phỏng điện áp quá độ cọc nối đất trong trường hợp cọc nối đất với p soiỉ = 100(fìm)xung sét tiếp theo 43

Trang 13

Hệ thống chống sét bao gồm nhiều hệ thống như:

- Hệ thống cột thu sét

- Hệ thống dây dẫn dòng sét

- Hệ thống nối đất

Trong đó, hệ thống nối đất có vai trò tản dòng dòng sét vào đất, làm giảm điện áp quá

độ nên có vai trò quan trọng trong hệ thống chống sét

Kết quả tính toán có thể dùng để tham khảo khi thiết kế các cọc nối đất

Để hiểu hơn về chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất ta xem xét ví dụ sau:

Cho thanh nối đất có chiều dài lần lượt là : 5, 10, 20 (m)

Trang 14

2

CHƯƠNG ỉ: ĐẶT VẤN ĐẺ

Bán kính thanh: 7.5 (mm)

Độ chôn sâu của thanh: 0,5 (m)

Điện trở suất của thanh : p e = 0,25xl0^(Q?ra)

Điện trở suất của đất: p s = 100(ílm)

Độ thẩm điện tỷ đối của đất: s r = 50

Với dòng sét đã cho khỉ thay đổi chiều dài thanh nổi đất từ 5m ỉên 10m thì điện áp quá

độ tối đa trên thanh nối đất giảm xuống từ 240 kV xuống còn 152 kV Nhưng khỉ tăng chiều dài từ 10m lên 20m thì điện áp quá độ tối đa trên thanh nối đất vẫn là 152 kv Từ

đó, ta rút ra kết luận rằng khi tăng chiều dài điện cực nổi đất đến một

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỂ

Trang 15

3

giới hạn nhất định thì dù có tăng thêm chiều dài điện cực nối đất thì điện áp quá độ trên điện cực nối đất vẫn không giảm Điều này gây ra sự lãng phí khi thiết kế, thi công các điện cực nối đất Từ đó đặt ra yêu cầu tìm ra chiều dài hiệu quả để từ đó có thể giảm lãng phí khi thiết kế các điện cực nối đất

Trang 16

CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN NGHIÊN cửu

4

Sét có bản chất là sự phóng tia lửa điện ửong không khí với khoảng cách rất lớn Quá trình phóng điện sét trong không khí có bản chất tương tự như quá trình phóng tia lửa điện trong điện trường rất không đồng nhất Điện trường gây ra phóng điện được tạo ra bởi các khối điện tích lớn, tập trung trong các đám mây và giữa các đám mây với nhau Trên thực tế, người ta chỉ quan tâm đến quá trình phóng điện giữa các mây dông và mặt đất vì quá trình này gây ra thiệt hại lớn đến tính mạng, tài sản của con người

Với mong muốn giảm thiệt hại dòng sét con người đã tạo ra hệ thống chống sét Hệ thống chống sét bao gồm nhiều thành phần như:

Hệ thống kim thu sét

Hệ thống dẫn dòng sét

Hệ thống nối đất

Hệ thống chống sét lan truyền

Trong đó hệ thống nối đất là hệ thống quan trọng có nhiệm vụ tản dòng sét vào đất Khi

hệ thống nối đất hoạt động hiệu quả sẽ làm giảm điện áp quá độ Điện áp quá độ giảm

về mức chịu đựng được của cách điện của thiết bị sẽ không gây ra hư hỏng thiết bị và nguy hiểm đến tính mạng con người

Các nghiên cứu về hệ thống nối đất tập trung vào:

• MÔ hình hóa dòng sét đầu vào

• Mô hình hóa đất và cấu trúc hình học của hệ thống nối đất để tính toán

Trang 17

Các nghiên cứu về mô hình hóa hệ thống nối đất bắt đầu với công trình quan trọng của Sunde [2] Trong đó ông đã dùng các phương trình của trường điện từ để giải thích, tính toán các thông số của đất và của thanh như điện trở, điện dẫn, điện cảm và điện dung Công trình này đã đặt nền tảng cho sự phát triển sau này của các nghiên cứu về hệ thống nối đất

Các nghiên cứu về tính toán các thông số quá độ của hệ thống nối đất trước đây được tính bằng phương pháp giải tích Phương pháp giải tích có ưu điểm là chính xác nhưng khi áp dụng cho hệ thống nối đất lớn và phức tạp thì không thể áp dụng được Khi công nghệ thông tin phát triển, các nghiên cứu về nối đất chuyển sang mô hình hóa trên máy tính Các mô hình tính toán điện áp quá độ bao gồm:

• Mô hình mạch điện

• Mô hình trường điện từ

• Mô hình lai

• Mô hình đường dây truyền tải

Các kết quả tính toán từ các mô hình trên được so sánh với kết quả thực nghiệm [10] để xác định sai số, từ đó cải tiến sao cho mô hình tính toán có thể chính xác hơn

Trong quá trình tản dòng sét, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng khi tăng chiều dài của điện cực nối đất vượt qua một giới hạn nhất định thì điện áp quá độ tối đa không giảm Lorentzou, Hatziargyriou đã dùng mô hình đường dây truyền tải và công thức giải tích

để chứng minh điều đó [1] Gupta và Thapar đã dùng mô hình mạch để tính ra chiều dài hiệu quả và dùng kết quả tính toán được so sánh với thực nghiệm [3], Jinliang He, et al

sử dụng mô hình đường dây truyền tải có xét đến hiện tượng ion hóa để tính toán chiều

Trang 18

6

dài hiệu quả của thanh nối đất [4], Leonid Grcev phát triển mô hình trường điện từ trong miền tần số để nâng cao độ chính xác trong việc xác định chiều dài hiệu quả [5], Trong luận văn này, chúng tôi dùng mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất để tính toán chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất được phát triển từ mô hình đường dây truyền tải đồng nhất bởi Yaquing Liu [6], Hiện tượng ion hóa trong đất bị bỏ qua bởi sự phức tạp của hiện tượng trễ và hiệu ứng bề mặt trong quá trình ion hóa [7], Kết quả xác định chiều dài hiệu quả được so sánh với kết quả của các công trình nghiên cứu khác Kết quả xác định chiều dài hiệu quả được đưa ra dựa trên mô hình dòng sét trong [8],

Trang 19

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐƯỜNG DẦY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐÔNG NHẤT

7

ĐỒNG NHẤT

Mô hình đường dây truyền tải là một trong những mô hình dùng để tính toán các hiện

tượng quá độ Mô hình đường dây truyền tải dựa trên mô hình trường điện từ Các thông

số trong mô hình đường dây truyền tải được tính toán từ các thông số trong mô hình trường

điện từ Các thông số mạch quy đổi của mô hình đường dây truyền tải được quy đổi từ thực

tế và trên một phạm vi nhỏ nên có độ chính xác cao hơn so với mô hình mạch

3.2.1 Cơ sở lý thuyết:

Mô hình thanh nối đất và đất được quy đổi thành một mạch điện với các thông số rải như

hình 3.1 Các thông số điện trở, điện cảm, điện dung được quy đổi sau khi chia thanh nối

đất thành các phân đoạn nhỏ

Hình 3.1 Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất

Phương trình đường dây truyền tải cho mô hình đồng nhất:

avu,() = |.;U()+iata0

Với re: điện ttở của thanh tính trên một đơn vị chiều dài

1: điện cảm của thanh tính trên một đơn vị chiều dài g : điện dẫn của thanh tính

trên một đơn vị chiều dài c: điện dẫn của thanh tính trên một đơn vị chiều dài

Trang 20

8

Trong đó:

p soil : là điện ttở suất của đất

l c : là chiều dài của điện cực nối đất a : là bán kính thanh nối đất

ơ„a và ơ;ur: là điện dẫn suất của đất và điện dẫn suất của không khí d : độ chôn sâu của

Các thông số hên một đơn vị chiều dài được tính bằng cách tính tổng điện dẫn, điện cảm, điện dung của thanh rồi chia cho chiều dài thanh để được thông số trên một đơn vị chiều dài

Điện trở của thanh nối đất được tính như sau:

Để quyết vấn đề này ta có thể dùng nguyên tắc ảnh điện để tính toán bổ sung

ảnh hưởng do phản xạ sóng gây ra và có được công thức tính toán như sau:

Trang 21

9

thanh nối đất

e soil và : là độ thẩm điện tỷ đối của đất và không khí

So sánh công thức (3.3) và (3.4) ta nhận thấy trong công thức (3.4) có xét đến các thành phần crjoiỉvà Ssoil và s^ Vì (3.4) có xét đến ơJ0,7và ơair, S soil và ^nên (3.4) là công thức tính toán điện trở, điện cảm, điện dung cho môi trường không đồng nhất Môi trường không đồng nhất ở đây được hiểu là môi trường có đất và không khí

Các công thức (3.3) và (3.4) được tính toán bằng cách tính tổng điện trở, điện cảm, điện dẫn và điện dung trên toàn bộ thanh nối đất sau đó chia đều cho các phân đoạn của thanh nối đất Từ cách tính này, chúng tôi nhận thấy rằng hệ số tương hỗ của các phân đoạn lên các phân đoạn còn lại bằng nhau và bằng 1, cách xem xét này chưa tính đến sự khác nhau của hiện tượng tương hỗ khi các phân đoạn mang dòng khác nhau hay có điện áp khác nhau Muốn xem xét hiện tượng tương hỗ khi các phân đoạn có dòng điện và điện áp khác nhau ta cần cải tiến mô hình đường dây truyền tải sao cho có thể tính đến ảnh hưởng tương

hỗ khác nhau giữa các phân đoạn khi các phân đoạn mang dòng điện và điện áp khác nhau

Điện trở suất của thanh: Pt = 0,25.10'6 (ĩì.m)

Độ chôn sâu của thanh: 0,6 (m)

Trang 22

10

Điện trở suất của đất: Pd = 20 (íì.m)

Độ thẩm điện tương đối của đất: E r = 80

Kết quả quan sát tại các vị trí cách đầu thanh (nơi sét truyền vào) X = 0; X = 2m; X = 10m :

Hĩnh 3.2 Kết quả thu được từ phương pháp sai phân hữu hạn với mô hình đường

dây truyền tải đồng nhẩt

Hình 3.3 Kết quả mô phỏng bằng EMTP (nét liền), kết quả tính toán bằng các công

thức giải tích (nét đứt —) và kết quả thí nghiêm thực tế (nét o o o)

Nhận xét:

Từ kết quả mô phỏng dùng mô hình đường dây truyền tải đồng nhất so sánh với kết quả mô phỏng bằng phần mềm EMTP, kết quả tính toán bằng công thức giải tích và kết quả thực tế [12], Ta nhận thấy rằng kết quả mô phỏng thanh nối đất dùng mô hình đường dây truyền tải đồng nhất và phương pháp FDTD phù hợp với kết quả

o *"11

Trang 23

đưa ra bằng phần mềm EMTP và kết quả thu được từ thực nghiệm EMTP (Electro- Magnetic Transients Program) là phần mềm mô phỏng đáp ứng quá độ dùng mô hình đường dây truyền tải đồng nhất

Mô phỏng 2:

Thực hiện mô phỏng với các tham số mô phỏng sau:

Dòng sét khảo sát: i s (t) = 110433.(e~ 192At -e"™109') (A)

Chiều dài thanh nối đất: 1=20 (m)

Bán kính thanh nối đất: a=7.5 (mm)

Điện trở suất của thanh nối đất: pe=0.25xl0'6 (Í2.m)

Độ chôn sâu của thanh nối đất: d=0.5 (m)

Điện trở suất của đất: ps=100 (Í2.m)

Độ thẩm điện tỷ đối của đất: Er=50

Kết quả quan sát tại vị trí đầu vào của thanh nối đất x=0

Kết quả mô phỏng dựa trên mô hình đồng nhất:

Hình 3.4 Điện áp quả độ của thanh 20 m, 100 m (mô hình đồng nhất)

11

Trang 24

12

Nhận xét: Khi dòng sét chậm (độ dốc đầu sóng thấp) đi vào hệ thống nối đất thì điện

áp quá độ tối đa trên thanh 20m và ÍOOm là bằng nhau

Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất không thể hiện được quá trình thay đổi thông

số mạch trong mô hình nên về bản chất thì mô hình đường dây truyền tải đồng nhất chưa thể hiện chính xác quá trình quá độ của các thông số mạch trong quá trình quá độ Từ

đó đặt ra yêu cầu cải tiến mô hình đường dây truyền tải đồng nhất để thể hiện chính xác hơn quá trình quá độ

3.3.1 Cơ sở lý thuyết:

Hĩnh 3.5 Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhẩt

Ta có phương trình đường dây dài:

Các thông số của phương trình được tính như sau:

Điện trở của thanh được tính bằng công thức: a : là bán kính của thanh

p r : là điện trở của thanh dẫn Các thông số khác của đất như điện cảm, điện trở, điện dung được tính dựa trên lý thuyết trường điện từ và nguyên lý ảnh điện

Sau khi chia thanh nối đất ra thành n phân đoạn, ta thiết lập ma trận thông số điện cho tất

cả các phân đoạn

l(x,t) !(x,t) v(x,t) —* L(x,t) v(x,t) - ► L(x,t) V(x,t)

Trang 25

Các thành phần ửong ma trận điện ửở của đất được tính theo công thức sau:

Trong suốt quá trình quá độ của thanh nối đất thông số điện cảm, điện dẫn, điện dung của

bản thân phân đoạn không thay đổi Nhưng các thông số điện cảm, điện dẫn, điện dung tương hỗ giữa các phân đoạn sẽ thay đổi theo thời gian dựa trên dòng điện và điện áp Để tính được sự thay đổi các điện dẫn, điện cảm, điện dung tương hỗ giữa các phân đoạn càn phải lập được các ma trận với các phần tử thể hiện được các thông số của bản thân phân đoạn cũng như các thông số tương hỗ giữa các phân đoạn với nhau Khi đó, ma trận điện cảm, điện dung, điện dẫn của thanh nối đất không còn là ma trận 1 hàng, n cột với các phần

tử giống nhau nữa mà là một ma trận với n hàng và n cột Ma trận điện cảm, điện dẫn, điện dung với các phần tử trên đường chéo là thông số điện cảm, điện dẫn, điện dung của bản thân phân đoạn, các thông số bên ngoài đường chéo là điện cảm, điện dẫn, điện dung tương

hỗ giữa các phân đoạn

Trong quá trình quá độ của điện cực nối đất, điện cảm, điện dẫn, điện dung của bản thân phân đoạn không thay đổi theo thời gian nhưng điện cảm, điện dẫn, điện dung giữa các

(3.8)

Trang 26

14

phân đoạn sẽ thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào điện áp và dòng điện trên mỗi phân đoạn Khi đó ta cần tính toán lại ảnh hưởng tương hỗ giữa các phân đoạn khác nhau dựa trên công thức (3.10) Sau đó ta cộng dồn các ảnh hưởng tương hỗ (điện cảm, điện dẫn và điện dung) vào thông số mạch hình 71 cho từng phân đoạn theo công thức (3.11) Từ đó,

ta có được các thông số L(x,t), G(x,t), C(x,t) thay đổi theo bước thời gian và vị trí của phân đoạn

Các thông số L(x,t), G(x,t), C(x,t) nhìn trên hình minh họa (3.5) là các thông số (điện cảm, điện dẫn, điện dung) sau khi cộng dồn ảnh hưởng tương hỗ của các phân đoạn theo thời gian Hình (3.5) chưa thể hiện được ảnh hưởng tương hỗ giữa các phân đoạn Ảnh hưởng tương hỗ giữa các phân đoạn được tính theo công thức (3.8) thay đổi dựa trên vị trí của các phân đoạn

Quá trình thay đổi các thông số điện theo đơn vị chiều dài có thể chia thành ba vùng khác nhau:

Vùng I (t=0): là vùng chưa xảy ra hiệu ứng tương hỗ Vào thời điểm này dòng sét chưa đi vào điện cực nối đất, các hiệu ứng tương hỗ điện cảm, điện dẫn, điện dung trên điện cực nối đất chưa xảy ra Nên trên toàn điện cực nối đất cũng chưa xảy ra hiện trượng tương hỗ giữa các phân đoạn của điện cực nối đất Vào lúc này các thông số theo đơn vị chiều dài được tính bằng:

Trang 27

15

Vùng II (t>0): là vùng xảy ra hiệu ứng tương hỗ Lúc này dòng sét đi vào điện cực nối đất, dòng đi vào các phân đoạn và tản ra đất Nên ở vùng này, ở các phân đoạn có thêm hiện tượng tương hỗ Hiện tượng tương hỗ trên các phân đoạn và thông số có thể được tính bằng các công thức sau:

Xác định giá trị điện áp trung bình trên phân đoạn thứ i:

V _ ave(i, nAi) = 0,5.(1^ (n.Aí)+V2(n.Aí))

(i = l,2 n)

Với V/n.At) và V 2 (n.At) là giá trị điện áp ở hai đầu phân đoạn thứ i

Từ đó tính được dòng tản từ các phân đoạn vào đất và điện tích trên các phân đoạn vào

thời điểm t = n.Atlà:

I _ dis(i, nAt) = gị ((n - l)Aí).V _ ave(i, nAt) Q(i, nAt) = Cị ((n -l)Aí).V _ ave(i, nAt)

Sau đó ta sẽ tính toán được hệ số tương hỗ của phân đoạn I đối với phân đoạn j:

1 (ỉ = j)

1, (I _ dis(j, nAt) > I _ dis(ị, nAt) > 0)

Từ các hệ số tương hỗ trên ta xác định được các thông số theo đơn vị chiều dài như sau:

1, [0,

ì, 7(j,nAQ

I(i, nAt)

(i = j)

(0 < Q(j, nAt) < Q(i,

nAt)) (Q(j, nAì) > Q(i, nAì) >

0)

(else) (i = j)

(0 < I(j, nAt) < I(i, nAt))

(I(j, nAt) > I(i, nAt) > 0) (else)

(3.10)

(3.11)

1,

Trang 28

Mô phỏng 1: Các thông số mô phỏng:

Chiều dài thanh: 20 và 100 (m)

Bán kính thanh: 1,5 (mm)

Điện trở suất của thanh: Pt = 0,25.10'6 (íì.m)

Độ chôn sâu của thanh: 0,6 (m)

Điện trở suất của đất: Pd = 20 (ĩì.m)

Độ thẩm điện tương đối của đất: E r = 80

Hình 3.6 Minh họa thanh nổi đẩt 20 m, 100 m

Ket quả mô phỏng :

Trang 29

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐƯỜNG DẤY TR UYẺN TÀI KHÔNG ĐÔNG NHẤT

17

Hình 3.7 Quá trình thay đổi thông sổ trên đơn vị dài (L, CvàG)ởphân đoạn đầu

tiên của thanh nối đất dài 20 m

Trong quá tành lan truyền, dòng sét sẽ đi từ đầu thanh tới cuối thanh nối đất Khỉ dòng sét mới truyền vào thanh nổi đất hiện tượng tương hỗ giữa các phân đoạn mới bắt đầu xảy ra và tăng dần theo thời gian Khỉ dòng sét giảm dần và ít thay đổi về biên độ thì hiện tượng tương hỗ đạt đến tối đa và hệ số tương hỗ sẽ dần hội tụ Kết quả là điện cảm

ở phân đoạn đầu thấp sau đố tăng ỉên và cuối cùng hội tụ, đồng thời điện dẫn và điện dung lúc đầu cao sau đỏ giảm dần Như vậy, theo thời gian khả năng tản dòng sét của thanh ngày càng giảm

Hình 3.8 Quả điện ấp tại vị trỉx=0m, x=10m và x=20m trên thanh 20m thu được từ

mỏ hỉnh đường dây truyền tải không đồng nhất

Trang 30

Mô hình mô phỏng thanh nối đất có các thông số như sau:

Dòng sét khảo sát có các thông số như sau Imax=35 (A), Tj =0.14(ps), r2 =4.5(ps), n=2

Chiều dài thanh nối đất: 1=15 (m)

Tiết diện thanh nối đất: 116 mm2

Bán kính thanh nối đất: a=6,0765 (mm)

Điện trở suất của thanh nối đất: pe=0.25xl0'6 (Í2.m)

Độ chôn sâu của thanh nối đất: d=o.ố (m)

Điện trở suất của đất: ps=70 (Í2.m)

Độ thẩm điện tỷ đối của đất: Er=15

Kết quả từ thực nghiệm [10]: đo được dòng điện tối đa là 35 (A), điện áp tối đa là

660 (V) Từ đó tính được tổng trở xung Z1=18.857 Í2

Trang 31

19

Kết quả mô phỏng tại vị trí đầu vào của thanh nối đất x=0

Hĩnh 3.9 Điện ảp quả độ của thanh nối đẩt có chiều dài 15 m dùng mô hình đường

dây truyền tải không đồng nhẩt

So sánh kết quả mô phỏng ửong hình 3.9 với kết quả thực nghiêm [10] ta thấy có sự phù hợp giữa kết quả tính toán bằng mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất với kết quả thực nghiệm

Bên cạnh đó, kết quả theo tính toán dùng mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất

Trang 32

20 bằng công thức (5.3) ửong luận văn

Định dạng
Số trang	65
Dung lượng	1,36 MB
File đính kèm	123.rar (7 MB)