Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào việc nghiên cứu tính toán quá trình quá độ trong hệ thống nối đất

Bookmark not defined.. Bookmark not defined.. Bookmark not defined.. Bookmark not defined.. Bookmark not defined... Bookmark not defined.. Bookmark not defined.. Bookmark not defined.. B

-

NGUY N NH T NAM

H U H N VÀO VI C NGHIÊN C U TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH QUÁ

Chuyên ngành: THI T B , M NG VÀ NHÀ MÁY I N

LU N V N TH C S

Lu n v n th c s c b o v t i Tr ng i h c Bách khoa, HQG Tp HCM

Ngày 08 tháng 01 n m 2009

Tp HCM, ngày 01 tháng 12 n m 2008

NHI M V LU N V N TH C S

H và tên h c viên: NGUY N NH T NAM Gi i tính: Nam

Chuyên ngành: Thi t b , m ng và nhà máy i n MSHV: 01807285 1- TÊN TÀI:

b Nghiên c u quá trình quá trong h th ng n i t

nh t vi t ch ng trình mô ph!ng áp ng quá c"a h th ng n i t

d Kh o sát nh h #ng c"a các thông s c"a l i n i t và các thông s c"a t i v i

hi n t $ng quá c"a h th ng n i t b%ng ch ng trình mô ph!ng vi t $c

3- NGÀY GIAO NHI M V : 15/06/2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 15/06/2009

N i dung và c ng Lu n v n th c s& ã $c H i ng Chuyên ngành thông qua

QU)N LÝ CHUYÊN NGÀNH

L I C M N

Trong quá trình th c hi n tài này, tôi ã g p nhi u tr ng i, có lúc t ng

ch ng nh b cu c Tuy nhiên, v i s h ng d n nhi t tình, khoa h c cùng nh ng

l i ng viên c a Th y TS V Phan Tú, tôi ã l n l t v t qua các thách th c và hoàn thành c tài Em xin chân thành c m n Th y TS V Phan Tú ã t n tình dìu d t em trong su t th i gian v a qua

Lu n v n này s không hoàn thành c n u không có s h tr to l n t gia ình, ch d a tinh th n v ng ch c giúp tôi có thêm ni m tin và ng l c v t qua nh ng khó kh n trong th i gian th c hi n tài Con xin c m n Ông, Bà, Cha, M!, các Dì, các C u ã t o i u ki n t t cho con hoàn thành lu n v n này Anh xin

c m n em gái ã giúp " anh trong th i gian qua

Tôi xin c m n các b n thân, nh ng ng i ã cho tôi nh ng l i khuyên b# ích

và nh ng l i ng viên chân tình, giúp tôi th c hi n t t tài này

Tôi xin chân thành c m n các Th y, các Cô trong B môn H th ng i n thu c tr ng H BK Tp HCM ã cho tôi nh ng l i khuyên h u ích và t o i u ki n

t t cho tôi hoàn thành lu n v n

Thành ph H Chí Minh, ngày 01 tháng 12 n m 2008

Nguy n Nh t Nam

DANH SÁCH CÁC HÌNH V

Hình 3.1 – S các ph n t trong mi n [a, b]

Hình 3.2 – K t qu gi i ph ng trình vi phân 1D t FEM và l i gi i gi i tích Hình 3.3 – K t qu gi i ph ng trình vi phân 2D t FEM v i 100 ph n t

Hình 4.6 – K t qu thu c t FEM (hình trái) c a mô hình s d ng và k t qu

thu c t EMTP (nét li n) và th c nghi m (nét t) trong tài li u tham kh o [3]

Hình 4.7 – Quá i n áp t i v trí u vào c a dòng sét trên các thanh có chi u dài

khác nhau: a) FEM và b) FDTD trong [1]

Hình 4.8 – Quá i n áp t i v trí vào c a dòng sét trên các thanh n i t: mô hình

s d ng (bên trái) và mô hình m ch Geri (bên ph i) [15]

Hình 4.9 – Quá i n áp t i v trí vào c a dòng sét (góc l i) i chi u gi a hai

DANH SÁCH CÁC HÌNH V

Hình 5.3 – L u gi i thu t

Hình 5.4 – Các thanh n i t dùng mô ph ng

Hình 5.5 – Quá trình thay i c a các tham s trên n v dài (L, C và G) phân

o n u tiên trên thanh n i t dài 20 m trong [0;5µs] Hình 5.6 – Quá i n áp t i v trí vào trên thanh 20m thu c t mô hình ng

dây truy n t i không ng nh t và ng nh t

Hình 5.7 – Quá i n áp t i các v trí trên các thanh n i t t FEM

Hình 5.8 – Quá i n áp t i các v trí trên các thanh n i t t FDTD trong [1] Hình 5.9 – Quá i n áp t i các v trí t x = 0 n x = 20m trên thanh 20m

Hình 5.10 – Quá i n áp t i các v trí t x = 0 n x = 100m trên thanh 100m Hình 5.11 – Quá i n áp t i v trí vào trên l i 1x1, 2x2 và 6x6 t FEM

Hình 5.12 – Quá i n áp t i v trí vào trên l i 1x1, 2x2 và 6x6 t FDTD trong [1] Hình 5.13 – Quá trình lan truy n quá i n áp trên l i 6x6 theo th i gian

Hình 5.14 – Quá i n áp t i các v trí trên l i n i t 6x4, 24x24m2 khi dòng vào

DANH SÁCH CÁC B NG BI U

B ng 4.1 – So sánh tr "nh c a quá i n áp t i v trí vào trong 2 tr ng h p

B ng 6.1 – So sánh tr "nh c a quá i n áp t i v trí vào trong 2 tr ng h p

B ng 6.2 – So sánh tr "nh c a quá i n áp t i v trí vào trong 3 tr ng h p

B ng 6.3 – So sánh tr "nh c a quá i n áp t i v trí vào trong 2 tr ng h p

B ng 6.4 – So sánh tr "nh c a quá i n áp t i v trí vào trong 2 tr ng h p

M C L C

CH NG 1: T NG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Gi i thi u v n : Error! Bookmark not defined 1.2 Nh ng i m n i b c trong lu n v n: Error! Bookmark not defined

CH NG 2: L CH S PHÁT TRI N CÁC MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN C U

ÁP NG QUÁ C A H TH NG N I T [15] Error! Bookmark not defined

2.1 Nh ng phát tri n tiên phong trong vi c mô hình hóa h th ng n i t (d a trên c s gi i tích và th c nghi m): Error! Bookmark not defined 2.2 Nh ng phát tri n g n ây trong vi c mô hình hóa h th ng n i t (d a trên c s các ph ng pháp s v i s h tr !c l c c"a máy vi tính): Error! Bookmark not defined

2.2.1 Mô hình d a trên c s gi i tích m#ch i n: Error! Bookmark not defined

2.2.2 Mô hình d a trên c s tr $ng i n t%:Error! Bookmark not defined 2.2.3 Mô hình k&t h p: Error! Bookmark not defined 2.2.4 Mô hình $ng dây truy n t i: Error! Bookmark not defined 2.3 L a ch'n mô hình s( d)ng trong lu n v n:Error! Bookmark not defined

CH NG 3: PH NG PHÁP PH*N T H+U H,N Error! Bookmark not defined

3.1 Gi i thi u v ph ng pháp ph n t( h u h#n: Error! Bookmark not defined

3.2 Áp d)ng ph ng pháp ph n t( h u h#n gi i các ph ng trình vi phân:

Error! Bookmark not defined

3.3 Các k&t qu mô ph-ng: Error! Bookmark not defined 3.3.1 Mô ph-ng 1: Error! Bookmark not defined 3.3.2 Mô ph-ng 2: Error! Bookmark not defined 3.4 K&t lu n: Error! Bookmark not defined

4.3 Áp d)ng ph ng pháp ph n t( h u h#n vào mô hình $ng dây truy n t i 5ng nh t: Error! Bookmark not defined 4.3.1 Mô hình $ng dây truy n t i 5ng nh t: Error! Bookmark not defined

4.3.2 Áp d)ng ph ng pháp ph n t( h u h#n (FEM) vào mô hình [15]:

Error! Bookmark not defined 4.4 L u 5 gi i thu t: Error! Bookmark not defined 4.5 K&t qu mô ph-ng: Error! Bookmark not defined 4.5.1 Mô ph-ng 1: Error! Bookmark not defined 4.5.2 Mô ph-ng 2: Error! Bookmark not defined 4.5.3 Mô ph-ng 3: Error! Bookmark not defined 4.5.4 Mô ph-ng 4: Error! Bookmark not defined 4.5.5 Mô ph-ng 5: Error! Bookmark not defined 4.6 ánh giá k&t qu #t c trong mô hình: Error! Bookmark not defined

5.2.1 6c i m mô hình $ng dây truy n t i không 5ng nh t: Error! Bookmark not defined

5.2.2 Tính toán các tham s trên n v4 dài s( d)ng trong mô hình: Error! Bookmark not defined

5.2.3 Áp d)ng ph ng pháp ph n t( h u h#n vào mô hình $ng dây truy n

t i không 5ng nh t: Error! Bookmark not defined 5.3 L u 5 gi i thu t: Error! Bookmark not defined 5.4 K&t qu mô ph-ng: Error! Bookmark not defined 5.4.1 Mô ph-ng 1: Error! Bookmark not defined 5.4.2 Mô ph-ng 2: Error! Bookmark not defined 5.4.3 Mô ph-ng 3: Error! Bookmark not defined 5.5 1nh h ng c"a hi n t ng ion hóa t: Error! Bookmark not defined 5.5.1 Mô hình tính toán cho hi n t ng ion hóa t: Error! Bookmark not defined

5.6 ánh giá k&t qu #t c c"a mô hình: Error! Bookmark not defined

TRÊN H TH NG N I T Error! Bookmark not defined 6.1 1nh h ng c"a các thông s l i: Error! Bookmark not defined 6.1.1 1nh h ng c"a kích th c thanh d:n c"a l i n i t: Error! Bookmark not defined

6.1.2 1nh h ng c"a c'c óng d'c theo l i: Error! Bookmark not defined

6.2 1nh h ng c"a môi tr $ng t: Error! Bookmark not defined 6.2.1 1nh h ng c"a i n tr su t t: Error! Bookmark not defined 6.2.2 1nh h ng c"a 3 th;m i n c"a t: Error! Bookmark not defined 6.3 ánh giá chung: Error! Bookmark not defined

CH NG 7: Error! Bookmark not defined ÁNH GIÁ CÁC K<T QU1 ,T 9C VÀ H 8NG PHÁT TRI N CHO V N

Error! Bookmark not defined 7.1 ánh giá các k&t qu #t c: Error! Bookmark not defined 7.1.1 Nh ng óng góp c"a lu n v n: Error! Bookmark not defined 7.1.2 Nh ng v n ch a #t c c"a lu n v n: Error! Bookmark not defined

7.2 H ng phát tri n cho vi c nghiên c=u quá trình quá 3 trong h th ng n i t: .Error! Bookmark not defined TÀI LI U THAM KH1O Error! Bookmark not defined

CH NG 1: T NG QUAN

1.1 Gi i thi u v n

T xa x a, con ng i ã c g ng tìm hi u v hi n t ng quá i n áp khí quy n hay còn g i là hi n t ng phóng i n sét Tuy nhiên, cho n u th k XXI, hi n t ng trên v n còn là m t v n gây tranh cãi Hi n t ng phóng i n sét gây ra nh ng thi t h i r t l n không nh ng cho tính m ng mà còn cho các công trình c a con ng i, c bi t là h th ng i n ( ng dây, nhà máy, tr m

bi n áp ) Tùy thu c vào v trí b c a dòng sét mà chúng ta có hai tr ng

h p tác ng lên h th ng i n Tr ng h p th nh t x y ra khi dòng sét b

xu ng v trí g n h th ng i n, khi ó t i v trí b s xu t hi n sóng i n t lan truy n v m i phía Sóng i n t này n h th ng i n, gây ra quá i n áp c m

ng lan truy n trong h th ng, có th gây ra h h ng trên các thi t b trong h

th ng Tr ng h p th hai x y ra khi sét ánh tr c ti p lên h thông i n, toàn b n!ng l ng c a sét c vào h th ng, phá h y các thi t b trong h th ng

"ây là tr ng h p c bi t nguy hi m

" b o v ch ng sét ánh tr c ti p cho h th ng i n (và các công trình nói chung), con ng i ã nghiên c u và xây d ng lên nh ng h th ng b o v ch ng sét ánh tr c ti p V m t c u trúc c#ng nh ch c n!ng, các h th ng này c chia làm ba b ph$n chính [17]:

i) B ph$n thu sét: g%m các kim thu sét, các dây ch ng sét v i nhi m v& là thu hút dòng sét vào h th ng b o v , nh v$y dòng sét không b vào các b ph$n mang i n c a h th ng

ii) B ph$n d n dòng sét: g%m các dây d n hay các k t c u kim lo i v i nhi m v& là d n dòng sét t b ph$n thu xu ng b ph$n n i t

iii) B ph$n n i t: là h th ng g%m nh ng thanh, c c c chôn trong t

v i nhi m v& là t n nhanh dòng sét vào t

CH NG I: T NG QUAN

Trong ba b ph$n trên, h th ng n i t gi vai trò c c k' quan tr ng B(i

vì khi h th ng này không c thi t k úng k) thu$t, tác h i gây ra cho h

th ng i n còn nghiêm tr ng h*n tr ng h p không có h th ng b o v ch ng sét ánh tr c ti p

Chính vì l ó, vi c kh o sát quá trình quá x y tra trong h th ng n i t trong quá trình t n dòng sét là m t nhu c u th c ti+n M t khi chúng ta kh o sát

c quá trình này, d oán c giá tr quá i n áp và các dòng i n t i các v trí trên h th ng n i t, chúng ta s gi i c bài toán kinh i n trong thi t k là

iii) Ph *ng pháp ph n t, h u h n c s, d&ng mô ph ng áp ng quá

c a h th ng n i t

iv) H th ng n i t kh o sát trong mô ph ng có d ng ph c t p tiêu bi u

nh các l i n i t không %ng nh t (kích th c các ô l i không u) có óng thêm c c

CH NG 2: L CH S PHÁT TRI N CÁC MÔ HÌNH TRONG

2.1 Nh ng phát tri n tiên phong trong vi c mô hình hóa h th ng n i t (d a trên c s gi i tích và th c nghi m)

Vi c nghiên c u áp ng quá c a h th ng n i t b t u phát tri n

m nh t n!m 1934 Ng i i tiên phong trong công vi c này là Bewley Công

vi c c a ông n8m trong m t ch *ng trình nghiên c u b o v ch ng sét cho các

h th ng i n Ông ã xây d ng c công th c tính t ng tr( u vào c a m t thanh n i t v i ngu%n i n áp d ng hàm d c *n v t vào T ng tr( này tính

c v i gi thi t xem dây n i t là m t ng dây truy n t i dài có t n hao v i các thông s ( i n tr(, i n c m, i n d n và i n dung) trên *n v chi u dài

(2.1) Trong công th c (2.1): lc là chi u dài c a thanh n i t; L, G và C l n l t

là i n c m, i n d n rò và i n dung rò trên m t *n v chi u dài c a thanh n i

t

" n n!m 1943, Bellaschi và Armingtom b8ng gi i tích ã a ra công th c

c l ng i n áp t i u vào c a c c n i t v i d ng là t ng c a m t chu-i h i t& Tùy theo d ng c a dòng sét vào c c n i t, i n áp t i u vào c a c c n i

I = −α − −β

CH NG II: L/CH S0 PHÁT TRI1N CÁC MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN C2U "ÁP 2NG QUÁ "3

C4A H5 TH6NG N6I "7T

(2.2b)

Tr ng h p dòng vào có d ng hàm sin:I(t)= A(1−cosBt)

(2.2c) Trong các công th c (2.2): Lt là i n c m c a c c n i t (H); Gt là i n d n

t n c a c c n i t; các h s α, β, A và B là các h8ng s ph& thu c vào d ng

c a dòng vào c c n i t

T nh ng b c kh(i u s* b nh trên, Sunde ã vi t cu n “ Earth conduction effects in transmission line systems”, m t công trình n n t ng r t quan tr ng vi c nghiên c u h th ng n i t cho n nay v n c s, d&ng r ng rãi trong th c t

Mô hình c a ông d a trên lý thuy t tr ng v i h ph *ng trình Maxwell

y Ông là ng i u tiên a ra khái ni m ng dây truy n t i v i các thông s trên *n v dài ph& thu c vào t n s b8ng mô hình miêu t áp ng quá

c a m t thanh n i t v i ph *ng trình truy n sóng:

(2.3)

Trong các công th c (2.3): Zs là tr( kháng trong c a thanh n i t; Yi là d n

n p *n v trên chi u dài c a l p cách i n thanh.; Γ là h8ng s truy n sóng

Nh v$y, các mô hình v a gi i thi u trên u s, d&ng nguyên t c c a

ng dây truy n t i Các mô hình này u dùng nh ng công th c c l ng g n úng có th gi i nhanh b8ng gi i tích (vì lúc này máy tính ch a phát tri n)

M t khác, các mô hình này ch9 có th tính toán trên nh ng h th ng n i t *n

gi n " áp d&ng các mô hình này cho các h th ng n i t ph c t p, m t s nhà khoa h c sau này (tiêu bi u là Gupta) ã dùng th c nghi m quy các h th ng

n i t ph c t p v mô hình *n gi n (thanh, c c)

2.2 Nh ng phát tri n g n ây trong vi c mô hình hóa h th ng n i t (d a trên c s các ph ng pháp s v i s h tr !c l c c"a máy vi tính)

" n th$p k 80 c a th k XX, công ngh thông tin ã có b c t phá

m nh m H u h t các l:nh v c khoa h c u h (ng l i t thành t u này: Các bài toán th c t ph c t p u có th c gi i quy t b8ng các ph *ng pháp s v i s

tr giúp c a máy vi tính Vi c mô ph ng áp ng quá c a h th ng n i t

ph c t p b y gi tr( nên kh thi trên c* s( nh ng mô hình c xây d ng tr c

ó

V i nh ng thu$n l i nh v$y, nhi u mô hình d a trên ph *ng pháp s ã ra

i Các mô hình này có th c chia làm 4 nhóm chính:

"ây là mô hình c s, d&ng ph bi n mô ph ng áp ng quá c a h

th ng n i t có hình d ng ph c t p Mô hình này c th c hi n thông qua 3

b c chính:

B c 1: Chia h th ng n i t ph c t p thành nh ng phân o n nh

B c 2: " c tr ng cho m-i phân o n là m t m ch i n t *ng *ng

v i các thông s r i và tính toán các thông s r i này ( ∆ r, ∆ L, ∆ G, ∆ C)

B c 3: Áp d&ng nh lu$t Kirchoff 1 và 2 gi i m ch i n t *ng

CH NG II: L/CH S0 PHÁT TRI1N CÁC MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN C2U "ÁP 2NG QUÁ "3

C4A H5 TH6NG N6I "7T

" i bi u n i b$c trong mô hình này là Meliopolous Ông là ng i u tiên

a ra mô hình này trong phân tích quá c a h th ng n i t (n!m 1983) Ông

ã s, d&ng các thông s r i ph& thu c vào t n s và tính toán các thông s này b8ng cách gi i ph *ng trình Laplace ( ∇ V2 =0 ) Trong mô hình này, Meliopolous ã thay th m-i phân o n c a thanh n i t b8ng m t ng dây truy n t i không t n hao g n v i i n d n rò ( hai u Mô hình c a ông cho k t

qu r t t t khi s, d&ng trên m t ch *ng trình tính toán quá c s, d&ng ph

bi n hi n nay là EMTP (Electromagnetic Transient Analysis Program) EMTP có

th mô ph ng áp ng quá c a m t h th ng n i t l n ph c t p c a m t

tr m bi n áp Sau này, ông ã c i ti n mô hình c a mình b8ng vi c gi i h

ph *ng trình Maxwell trên tr ng i n t:nh K t qu là thông s m ch i n

t *ng *ng trong mô hình là các giá tr ph& thu c vào t n s

K n, n!m 1989, Ramamoorty và các c ng s ã phát tri n mô hình *n

gi n hóa trên c* s( gi i tích m ch i n cho m t l i n i t M c dù ã b qua

i n dung t *ng h- gi a các ph n t, nh ng mô hình c a h v n cho k t qu khá chính xác ( c bi t trong tr ng h p t có i n tr( su t nh )

" n n!m 1999, trên c* s( c i ti n mô hình c a Meliopolous, Geri và Otero

ã tính n hi n t ng ion hóa trong t vào trong mô hình c a h

Tóm l i, mô hình d a trên c* s( gi i tích m ch d+ hi u khi chuy n t phân tích quá m t h th ng n i t ph c t p sang phân tích quá m t m ch i n

t *ng *ng M t khác, mô hình này còn có th tính n hi n t ng ion hóa trong t "i m h n ch duy nh t c a mô hình này là ch a d báo c hi n

t ng tr+ do lan truy n trên l i n i t

m t h ph *ng trình i s tuy n tính v i các ;n s là dòng ch y trên các phân

o n H ph *ng trình tuy n tính trên có th gi i c trên mi n t n s Và nh v$y, n u xác nh c giá tr dòng i n ch y trên các phân o n, chúng ta có th d+ dàng xác nh c i n tr ng phân b d c h th ng n i t và dòng rò t h

th ng n i t n khu v c t xung quanh Mô hình này cho k t qu v i chính xác cao (t n s dòng vào càng cao thì k t qu thu c càng chính xác) Nh c

i m c a mô hình này là khá ph c t p, òi h i kh i l ng tính toán l n và không

th tính n nh h (ng phi tuy n do hi n t ng ion hóa trong t gây ra

" kh c ph&c nh ng nh c i m trên, m t mô hình khác d a trên c* s(

tr ng i n t c Nekhoul và các %ng s x ng Mô hình này c th c

hi n v i s h- tr c a ph *ng pháp ph n t, h u h n gi i h ph *ng trình n!ng l ng i n hay t tr ng có liên quan n h ph *ng trình Maxwell d ng

vi phân t ng ph n " gi i các h ph *ng trình vi phân u tiên chúng ta ph i chia mi n kh o sát thành nh ng mi n nh , t ó chúng ta s xây d ng c m t

h ph *ng trình tuy n tính và gi i h ph *ng trình này u i m c a mô hình này là có tính linh ho t cao, có th áp d&ng trên các h th ng n i t có hình

d ng ph c t p và có th tính n nh h (ng phi tuy n c a hi n t ng ion hóa trong t Nh c i m c a mô hình này là khó hi u do không gi i tr c ti p h

ph *ng trình Maxwell

2.2.3 Mô hình k t h p

"úng nh tên g i, ây là mô hình k t h p c hai mô hình v a nêu trên Mô hình này c kh(i x ng b(i Dawalibi vào n!m 1986, sau ó c c i ti n b(i Andolfato và các %ng s Theo ó, h th ng n i t c chia làm nhi u phân

o n nh Giá tr dòng trên m-i phân o n c tính d a trên nguyên lý gi i tích

m ch, trong khi các thông s c a m ch i n t *ng *ng c a m-i phân o n (R,

L, G và C) c c l ng d a trên nguyên t c c a lý thuy t tr ng "i m xu t

s c c a mô hình này là s, d&ng các thông s m ch i n ph& thu c vào t n s , nên

k t qu thu c có chính xác cao h*n mô hình thông th ng d a trên gi i tích m ch i n và gi m c ph c t p trong mô hình d a trên lý thuy t

tr ng

2.2.4 Mô hình ng dây truy n t i

"ây là mô hình c s, d&ng u tiên trong vi c mô ph ng áp ng quá

c a h th ng n i t Tuy nhiên, mô hình này c phát tri n ch$m h*n so v i hai mô hình v a nêu ( trên

" u tiên, khái ni m ng dây truy n t i có t n hao áp d&ng cho m t dây

d n n i t dài b(i Verma và các %ng s , Mazzetti và các %ng s , Velazquez

CH NG II: L/CH S0 PHÁT TRI1N CÁC MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN C2U "ÁP 2NG QUÁ "3

C4A H5 TH6NG N6I "7T

H ph *ng trình trên c gi i trên mi n s, sau ó các k t qu c chuy n

v mi n th i gian d a trên phép bi n i Laplace ng c

Sau này, Lorentzou và các %ng s c#ng ã b t u t h ph *ng trình trên,

nh ng gi i tr c ti p giá tr dòng và áp phân b d c theo dây n i t trên mi n

th i gian "i m chung c a các mô hình này là các thông s trên *n v dài (R, L,

G và C) là các giá tr %ng nh t trên chi u dài c a dây n i t

K n, Menter và Grcev ã s, d ng mô hình ng dây truy n t i có t n hao v i các ph *ng trình ph& thu c vào t n s c a Sunde Trong ó, các thông s trên *n v dài thay i theo t n s và có th tính v i các công th c c a Sunde b8ng ph *ng pháp s

u i m c a mô hình ng dây truy n t i là nó có th gi i quy t bài toán

c trên mi n th i gian và mi n t n s và k n tác ng phi tuy n c a hi n

t ng ion hóa trong t v i l ng tính toán không nhi u nh mô hình d a trên lý thuy t tr ng M t khác, mô hình này còn d oán c tr+ do lan truy n trên

h th ng n i t ( c bi t trên h th ng n i t l n)

2.3 L a ch#n mô hình s$ d%ng trong lu n v n

Qua vi c so sánh c i m c a các mô hình v a nêu ( ph n trên, chúng tôi quy t nh ch n mô hình ng dây truy n t i mô ph ng áp ng quá c a

h th ng n i t Mô hình này cho phép a vào tính toán nh h (ng t *ng h-

gi a các ph n t, c a h th ng n i t và hi n t ng ion hóa t, qua ó k t qu thu c s t chính xác cao

CH NG 3: PH NG PHÁP PH&N T H'U H(N

3.1 Gi i thi u v ph ng pháp ph n t$ h u h)n

Trong quá trình phát tri n, m t cách t nhiên, con ng i luôn có khuynh

h ng chia nh m t v n , m t bài toán ph c t p thành nh ng ph n t, nh , r i

r c mà chúng ta có th bi u di+n b8ng các hàm toán h c *n gi n Trên c* s( ó, chúng ta có th xây d ng l i v n t ng th ban u t nh ng ph n t, này và tìm

ra l i gi i g n úng cho nó "ây chính là c* s( cho s ra i c a ph *ng pháp

ph n t, h u h n, ph *ng pháp s c các nhà khoa h c, các k) s s, d&ng r ng rãi trên th gi i

T ng quan, quá trình áp d&ng ph *ng pháp ph n t, h u h n có th chia làm

So sánh v i các ph *ng pháp khác trong h th ng ph *ng pháp s , ph *ng pháp ph n t, có nh ng u i m n i b$c sau:

- "ây là ph *ng pháp có linh ho t cao, có th áp d&ng cho các bài toán trong mi n có hình d ng ph c t p

- L i gi i thu c t ph *ng pháp t chính xác cao và n nh

- Các i u ki n biên có th a vào bài toán d i d ng các hàm toán h c

- Ph *ng pháp này có th x, lý cho các bài toán phi tuy n, ph c t p

" tìm hi u v ph *ng pháp ph n t, h u h n, cách t t nh t là chúng ta i vào gi i quy t tr c ti p m t v n c& th Do ó, các ph n sau trình bày trong

ch *ng là nh8m h ng n m&c tiêu này

3.2 Áp d%ng ph ng pháp ph n t$ h u h)n gi i các ph ng trình vi phân

" d+ dàng ti p c$n ph *ng pháp ph n t, h u h n, chúng ta s áp d&ng

ph *ng pháp này vào vi c gi i ph *ng trình vi phân b$c nh t trên mi n 1D sau:

U − =U = − =U = −

Trong ph *ng pháp ph n t, h u h n, chúng ta bi u di+n hàm u(x) d i

d ng sau:

1 1 2 2 1

N

e e e e e

( )( )

e

e

e ij

"i u ki n biên: 1 1

2 2

( ) ( )( ) ( )

U =U − =U ) theo công th c sau:

Th c hi n t *ng t l n l t cho t ng c p phân o n li n k t, chúng ta thu

c ma tr$n ghép v i các bi n toàn c&c nh sau:

M( r ng cho vi c gi i các ph *ng trình vi phân riêng ph n trên mi n 2D và 3D, chúng ta c#ng th c hi n hoàn toàn t *ng t quá trình v a nêu trên Tuy nhiên, ti n trình s ph c t p h*n nhi u do các ph n t, c kh o sát lúc này ã m( r ng v quy mô ví d& nh là các mi n tam giác i v i 2D hay các kh i t

=

Ph *ng trình vi phân trên có nghi m chính xác là u x( )=x2

Hình 3.2: K t qu gi i ph ng trình vi phân 1D t FEM và l i gi i gi i tích

− ≤ ≤

− ≤ ≤

V i các i u ki n biên Dirichlet sau:

2 2 2 2

Hình 3.4: K t qu gi i ph ng trình vi phân 2D t FEM v i 1225 ph n t

Nh v$y, m t l n n a, chúng ta có th kh@ng nh r8ng khi s ph n t, s, d&ng càng nhi u thì ph *ng pháp ph n t, h u h n s cho chính xác càng cao,

l i gi i thu c càng ti n n l i gi i gi i tích chính xác

3.4 K*t lu n

V i nh ng u i m n i b$c v a c trình bài ( ph n trên, chúng tôi quy t

nh s, d&ng ph *ng pháp ph n t, h u h n trong mô hình ng dây truy n t i

mô ph ng áp ng quá c a h th ng n i t

CH NG IV: MÔ PHANG "ÁP 2NG QUÁ "3 C4A H5 TH6NG N6I "7T DÙNG MÔ HÌNH

" BNG DÂY TRUYCN T.I "DNG NH7T

NH T

4.1 T ng quan v hi n t ng quá 1 trong h th ng n i t

V m t t ng quan, hi n t ng quá do sét gây ra trên h th ng n i t là quá trình chuy n i t tr ng thái xác l$p th nh t (tr c khi có dòng sét vào h

th ng n i t) n tr ng thái xác l$p th hai (dòng sét c t n h t vào t) thông qua t *ng tác gi a n!ng l ng i n tr ng và n!ng l ng t tr ng phát sinh trong h th ng n i t Khi t n dòng sét vào t, h th ng n i t có th c xem nh m t ng dây truy n t i có t n hao, c c tr ng b(i các thành ph n

i n c m, i n tr(, i n d n t n và i n dung (re, L, G và C) r i u d c theo chi u dài c a nó Nh v$y, v c* b n, quá trình quá trên h th ng n i t có

th c xem nh là quá trình quá x y ra khi óng dòng i n có d ng c

tr ng (dòng sét) vào m t m ch i n v i các thông s phân b u nh trên C!n c vào phân tích trên, chúng ta có th li t kê các nhân t có tác ng

n áp ng quá khi t n dòng sét c a h th ng n i t nh sau:

i n tr( t n c a h th ng n i t M t khác, trên b n thân các thanh d n luôn t%n

t i thành ph n i n c m d c theo chi u dài thanh Thành ph n này có tác ng ng!n c n s bi n thiên c a dòng ch y qua thanh, qua ó làm c n tr( áng k kh n!ng t n dòng sét vào t c a h th ng n i t Bên c nh ó, kho ng cách gi a các thanh d n trong h th ng n i t có nh h (ng r t l n n hi u ng màn che,

vào thành ph n c u t o c a t, c bi t ch u s chi ph i r t l n c a i u ki n môi tr ng xung quanh và th i ti t M t khác, hai giá tr này l i ph& thu c vào

t n s c a dòng t n vào t, chúng có khuynh h ng gi m áng k khi t n s dòng t n vào t cao Nh v$y, khi t n dòng sét b n ch t i n môi c a t s

gi m khi so sánh v i tr ng h p t n dòng i n t n s công nghi p, hay nói cách khác là t s t n dòng sét t t h*n khi t n dòng s c

Bên c nh hai nhân t v a nêu trên, dòng sét vào, c tr ng b(i hai giá tr là biên và th i gian u sóng, c#ng óng m t vai trò r t quan tr ng i v i áp

ng quá trên h th ng n i t Khi t n dòng sét có biên l n, i n tr ng phân b trong khu v c t xung quanh h th ng n i t có th t!ng cao v t quá giá tr t i h n, giá tr mà t i ó b t u x y ra quá trình ion hóa t K t qu là

i n d n su t trong ph n t b ion hóa t!ng r t cao, có th x p x9 v i i n d n

su t c a c a kim lo i làm h th ng n i t Hi n t ng này có th c kh o sát

m t cách *n gi n nh quá trình m( r ng kích th c c a thanh d n, qua ó, kh n!ng t n dòng sét vào t c a h th ng n i t t!ng lên áng k Tuy nhiên, do s

c n tr( dòng sét c a thành ph n i n c m d c theo chi u dài thanh d n, kích

th c c a vùng ion hóa này không u và gi m d n theo chi u dài thanh d n Vì v$y, i n d n t n d c theo chi u dài thanh d n không còn là h8ng s n a mà ph& thu c vào s phân b i n th trên thanh d n K t qu là hi n t ng ion hóa t

s gây ra nh h (ng phi tuy n i v i áp ng quá c a h th ng n i t M t khác, t c bi n thiên c a dòng sét càng l n t *ng ng v i th i gian u sóng

c a nó càng nh thì dòng sét càng khó i xa d c theo chi u dài thanh d n (do tác

ng c a thành ph n i n c m d c theo chi u dài thanh d n), hi u qu t n dòng sét c a h th ng n i t càng gi m

Tóm l i, trong quá trình t n dòng sét, ba nhân t v a nêu có tác ng an xen nhau i v i áp ng quá c a h th ng n i t Chính vì v$y, kh o sát

hi n t ng quá trong h th ng n i t, chúng ta không th tách riêng nh

h (ng c a t ng nhân t này, mà ph i xem xét chúng trên m t m i quan h t ng

th Yêu c u này làm cho vi c nghiên c u áp ng quá trên h th ng n i t tr( nên r t ph c t p, òi h i ph i có m t mô hình toán h c thích h p ph n ánh úng b n ch t c a hi n t ng này

4.2 Các gi 2nh s$ d%ng trong mô ph+ng

a) Các h th ng n i t c k t n i t các thanh kim lo i d n i n t t

có ti t di n là hình tròn, m-i thanh c xem nh là m t ng dây truy n t i có

CH NG IV: MÔ PHANG "ÁP 2NG QUÁ "3 C4A H5 TH6NG N6I "7T DÙNG MÔ HÌNH

" BNG DÂY TRUYCN T.I "DNG NH7T

t n hao Bán kính c a các thanh này là nh h*n áng k khi so sánh v i chi u dài

c a b n thân thanh và sâu chôn thanh

b) " t c xem là m t môi tr ng %ng nh t và tuy n tính c tr ng b(i các h s i n tr( su t (ρs), th;m i n t *ng i (εr) và th;m t t *ng

" không m t tính t ng quát, chúng ta b t u kh o sát trên m t thanh n i

t, c mô t nh m t ng dây truy n t i có t n hao trong hình 4.1

Hình 4.1 : Mô hình ng dây truy n t i ng nh t v i các thông s r i re,

s a

c s

π

σ σρ

σ σπ

e e

a

ρπ

th;m i n c a không khí (chân không)

b) H th ng n i t g%m các thanh, c c ghép l i v i nhau hay l i n i t:

Hình 4.2: C u trúc c a m t l i n i t thông th ng

CH NG IV: MÔ PHANG "ÁP 2NG QUÁ "3 C4A H5 TH6NG N6I "7T DÙNG MÔ HÌNH

" BNG DÂY TRUYCN T.I "DNG NH7T

Quá trình lan truy n c a i n áp và dòng i n trên l i n i t c#ng c

mô t b8ng h ph *ng trình (4.1) Tuy nhiên, các tham s trên *n v dài (L, G và C) trong mô hình ph i k n nh h (ng t *ng h- c a các thanh hay c c i v i nhau Nh v$y, chúng ta có th tính các tham s trên theo trình t sau ây

Xét m t l i n i t c c u thành t n thanh (c c), chúng ta ph i tính toán c các tham s trên *n v dài cho t ng thanh (c c) này Trình t th c

0 '

1.4

Trong ó, li và lj là chi u dài c a thanh (c c) i và j

• Thành l$p các ma tr$n tham s trên *n v dài [1]:

Th c hi n l n l t cho t ng c p thanh (c c) nh b c trên, chúng ta thu

c các ma tr$n tham s trên *n v dài nh sau:

Ma tr$n i n tr( t n trên *n v dài:

=

nn n

n

n n

RR

R

RR

R

RR

RR

2 22

21

1 12

n

n n

LL

L

LL

L

LL

LL

2 22

21

1 12

n

n n

PP

P

PP

P

PP

PP

2 22

21

1 12

11

• Tính các tham s trên *n v dài cho t ng thanh (c c) [1]:

Trên nguyên t c x p ch%ng nh h (ng t *ng h- c a t t c các thanh, c c trong l i n i t i v i thanh (c c) j, chúng ta có:

"i n c m trên *n v dài c a thanh (c c) j:

1

n

j ji i

CH NG IV: MÔ PHANG "ÁP 2NG QUÁ "3 C4A H5 TH6NG N6I "7T DÙNG MÔ HÌNH

" BNG DÂY TRUYCN T.I "DNG NH7T

4.3.2 Áp d ng ph ng pháp ph n t h u h n (FEM) vào mô hình [14]

" u tiên, chúng ta r i r c hóa mi n không gian kh o sát M-i thanh (c c)

n i t c chia thành N phân o n, m-i phân o n c c tr ng b(i hàm

i n áp ( hai u và hàm dòng i n ch y d c theo phân o n ó Nh v$y, chúng

ta thu c M = N+ hàm i n áp và N hàm dòng i n theo th i gian, i n áp 1

và dòng i n phân b trên thanh (c c) n i t có th c bi u di+n d i d ng các hàm toán h c sau:

N

j j j

i

i i

xx

xxx

,0

,1)

≠

=

=Ψ

j

j j

xx

xxx

,0

,1)

i e j i

N

j i i

dI td

Chúng ta g i Va là biên c a 2 nút i n áp bao quanh nút dòng i n Ij, Ia

là biên c a hai nút dòng i n bao quanh nút i n áp Vi, công th c (4.19) tr( thành:

2 1 2 1

a e j a

a i a

dI td

" n ây, chúng ta r i r c hóa mi n th i gian, chia th i gian kh o sát thành

k kho ng th i gian t∆ (ph i m b o nh h*n th i gian sóng áp và dòng ch y qua m t phân o n trên mi n không gian), chúng ta có:

2

1 2 1

(4.21)

t

VVdt

dL

rt

∆

(4.23)

2 1

Gt

∆

(4.24)

CH NG IV: MÔ PHANG "ÁP 2NG QUÁ "3 C4A H5 TH6NG N6I "7T DÙNG MÔ HÌNH

" BNG DÂY TRUYCN T.I "DNG NH7T

V i các công th c (4.23) và (4.24), chúng ta hoàn toàn có th tính c giá

tr i n áp và dòng i n t i các v trí trên t ng thanh (c c) trong l i n i t

" i v i giá tr i n áp ( hai u mút c a thanh (c c), chúng ta có th c!n c vào s* % m ch t *ng *ng tính các giá tr này theo nh lu$t Kirchoff I C!n c vào cách ghép n i gi a các thanh (c c), chúng ta có th chia làm 4 d ng sau:

a) D ng hình L (g%m 2 thanh ghép l i)

Hình 4.4a: M i ghép d ng L b) D ng hình T (g%m 3 thanh hay 2 thanh và 1 c c ghép l i)

Hình 4.4b: M i ghép d ng T

c) D ng hình + (g%m 4 thanh hay 3 thanh và 1 c c ghép l i)

Hình 4.4c: M i ghép d ng + d) D ng hình 5 tia (g%m 4 thanh và 1 c c ghép l i)

Hình 4.4d: M i ghép d ng 5 tia Tóm l i, t i m-i b c th i gian, chúng ta có th tính toán c giá tr i n

áp và dòng i n t i các v trí trên l i n i t d a trên công th c (4.23) và (4.24)

k t h p v i các d ng m ch t *ng *ng t i các m i ghép

CH NG IV: MÔ PHANG "ÁP 2NG QUÁ "3 C4A H5 TH6NG N6I "7T DÙNG MÔ HÌNH

" BNG DÂY TRUYCN T.I "DNG NH7T

4.4 L u 4 gi i thu t

L u % gi i thu$t hình 4.5 có th c chia làm 3 b c chính:

• B c 1: Nh$p các thông s mô ph ng (thông s t, kích th c l i n i t,

th i gian mô ph ng, v trí vào và thông s dòng sét)

• B c 2: Tính toán các tham s trên *n v dài c a các thanh, c c trong l i

ref

T

t≤

CALCULATE PER-UNIT LENGTH PARAMETERS ( re , L, G AND C)

CALCULATE CURRENT AND VOLTAGE AT EVERY POINT ON THE GROUNDING GRID

t = +∆

4.5 K*t qu mô ph+ng

4.5.1 Mô ph ng

Th c hi n mô ph ng v i các tham s mô ph ng sau [3]:

Chi u dài thanh n i t: l =100 (m)

K t qu quan sát t i các v trí cách u vào dòng sét kho ng x=0; 2; 10 (m)

Hình 4.6: K t qu thu c t FEM (hình trái) c a mô hình s d ng và k t qu thu c

t EMTP (nét li n) và th c nghi m (nét t) trong tài li u tham kh o [3]

So sánh các k t qu trong hình 4.6, chúng ta nh$n th y r8ng k t qu thu

c t mô hình s, d&ng r t phù h p v i k t qu c công b trong [3] Quá

i n áp t giá tr l n nh t t i v trí vào c a dòng sét và gi m d n khi càng ra xa

v trí này M t khác, mô hình c#ng d oán c th i gian tr+ do s lan truy n sóng i n áp theo chi u dài c a thanh n i t

CH NG IV: MÔ PHANG "ÁP 2NG QUÁ "3 C4A H5 TH6NG N6I "7T DÙNG MÔ HÌNH

" BNG DÂY TRUYCN T.I "DNG NH7T

4.5.2 Mô ph ng 2

" ánh giá chính xác c a ch *ng trình, chúng ta ti p th c hi n mô

ph ng cho các thanh n i t có chi u dài khác nhau và i chi u k t qu thu

c v i k t qu trong [1] Các tham s mô ph ng nh sau :

Chi u dài thanh : 20, 40, 50, 80, 100, 200 (m)

Hình 4.7 : Quá i n áp t i v trí u vào c a dòng sét trên các thanh có chi u

dài khác nhau: a) FEM và b) FDTD trong [1]

M t l n n a, mô hình s, d&ng v i ph *ng pháp ph n t, h u h n (FEM) cho k t qu r t t t khi so sánh v i k t qu c công b trong [1] s, d&ng cùng

mô hình v i ph *ng pháp sai phân h u h n (FDTD)

Tuy nhiên c#ng t các k t qu này, chúng ta l i th y c m t nh c i m

c a mô hình s, d&ng: quá i n áp t i v trí vào c a dòng sét trên thanh n i t có chi u dài l n h*n l i cao h*n trên thanh n i t có chi u dài nh h*n (b t u t thanh có chi u dài L = 80m) Khuy t i m này s th hi n càng rõ khi dòng sét

có t c bi n thiên càng cao, t c th i gian u sóng càng nh K t qu này là hoàn toàn trái v i b n ch t c a hi n t ng quá trong h th ng n i t

Hình 4.8: Quá i n áp t i v trí vào c a dòng sét trên các thanh n i t: mô hình

s d ng (bên trái) và mô hình m ch Geri (bên ph i) [15]

" i chi u các k t qu trong hình 4.8, chúng ta th y r8ng quá i n áp ngay

v trí vào c a dòng sét trên thanh dài 100m cao h*n r t nhi u so v i trên thanh dài 20m Trong khi k t qu thu c t mô hình m ch Geri l i ph n ánh úng

b n ch t c a hi n t ng quá trong h th ng n i t, ó là quá i n áp t i v trí vào c a dòng sét trên thanh dài n i t dài không bao gi v t quá giá tr này trên thanh n i t ng n h*n

CH NG IV: MÔ PHANG "ÁP 2NG QUÁ "3 C4A H5 TH6NG N6I "7T DÙNG MÔ HÌNH

" BNG DÂY TRUYCN T.I "DNG NH7T