Ứng dụng mô hình đường dây truyền tải và phương pháp phân sai phần hữu hạn vào việc nghiên cứu quá độ trong hệ thống nối đất

Khi tản dòng điện sét, hiện tượng ion hóa đất hay hiện tượng phóng điện trong đất và ảnh hưởng điện cảm của hệ thống nối đất là các hiện tượng vật lý chủ yếu được quan tâm nghiên cứu.. Đ

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ ĐỨC HUẤN

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI VÀ PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN VÀO VIỆC NGHIÊN CỨU QUÁ ĐỘ TRONG HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

MÃ SỐ NGÀNH : 60 52 50

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2008

Trang 2

CÔNG TRÌNH HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG VIỆT

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2008

Có thể tham khảo luận văn tại

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp, HCM, ngày tháng năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : HỒ ĐỨC HUẤN Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 30/04/1976 Nơi sinh: Gia Lai

Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng và Nhà Máy Điện MSHV:01806482

I - TÊN ĐỀ TÀI:

Ứng dụng mô hình đường dây truyền tải và phương pháp sai phân hữu hạn

vào việc nghiên cứu quá độ của hệ thống nối đất

II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan :

a) Về sét và tình hình dông sét ở Việt Nam

b) Về các nhân tố ảnh hưởng đến hệ thống nối đất trạm biến áp và đường dây

truyền tải khi tản dòng sét

c) Về các phương pháp tính toán tổng trở tản xung của lưới nối đất

2 Chọn phương pháp tính toán tổng trở tản xung của lưới nối đất có chú ý đến ảnh

hưởng của hiện tượng ion hóa trong đất

3 Lập trình tính toán tổng trở tản xung của lưới nối đất có số ô lưới khác nhau,

dòng sét vào lưới ở những vị trí khác nhau

4 Đánh giá kết quả, so sánh kiểm chứng với kết quả tính toán của các tác giả khác,

với các phương pháp tính toán khác

5 Kết luận về ưu nhược điểm của phương pháp và hướng phát triển của đề tài

III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2008

V - CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HOÀNG VIỆT

Trang 4

Để hồn thành chương trình cao học và luận văn tốt nghiệp, tơi đã nhận được

sự quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tận tình của Ban giám hiệu, phịng đào tạo sau đại học, khoa Điện – Điện tử và các thầy cơ giáo của trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cơ giảng dạy chuyên ngành đã truyền đạt cho tơi nhiều kiến thức sâu rộng, mới mẻ trong lĩnh vực Thiết bị - Mạng và Nhà máy điện

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Hồng Việt - Cán bộ hướng dẫn khoa học đã dành nhiều thời gian, tận tâm trực tiếp chỉ dẫn chu đáo, truyền đạt nhiều kinh nghiệm quý báu để tơi thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học và hồn thành luận văn tốt nghiệp này

Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc, các phịng chức năng của Điện lực Gia Lai nĩi chung, lãnh đạo và đồng nghiệp phân xưởng phát điện Biển Hồ nĩi riêng

đã tạo điều kiện, giúp đỡ, chia sẻ, động viên tơi suốt trong quá trình học tập, thực hiện đề tài, hồn thành luận văn tốt nghiệp

Tơi cũng xin gởi lời cảm ơn đến các bạn lớp cao học khĩa 2006 chuyên ngành Thiết bị - Mạng và Nhà máy điện đã dành nhiều sự động viên, chia sẻ, giúp đỡ tơi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Xin chân thành ghi tâm những tình cảm, cơng lao, sự cổ vũ động viên thân tình của gia đình và bè bạn, là nguồn động lực lớn để tiếp sức cho tơi phấn đấu vươn lên trên bước đường cơng tác của mình

Xin trân trọng cảm ơn!

Hồ Đức Huấn

Trang 5

================================================================

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nước ta chịu khí hậu nhiệt đới gió mùa, bị ảnh hưởng của cả khí hậu lục địa lẫn khí hậu biển nên có lượng mưa bão đi kèm giông sét hàng năm là khá lớn Số ngày giông trung bình khoảng 100 ngày/năm và số giờ giông trung bình là 250 giờ/năm, cường độ sét lớn nhất đo được tại Việt nam là 98kA (8/20ms) Hàng năm dông sét thường tập trung từ tháng 05 - tháng 11

Do đặc điểm khí hậu nêu trên nên ngành điện Việt Nam gặp nhiều khó khăn trong việc giảm thiểu các thiệt hại do sét gây ra Các thiết bị thu sét sẽ không phát huy được hiệu quả hoặc sẽ bị phản tác dụng nếu không có một hệ thống nối đất tốt

để tản dòng sét vào đất cũng như giữ cho điện thế của các phần tử nối đất không quá cao để hạn chế phóng điện ngược từ các phần tử đó đến các bộ phận mang điện

và các thiết bị điện khác

Khi tản dòng điện sét, hiện tượng ion hóa đất (hay hiện tượng phóng điện trong đất) và ảnh hưởng điện cảm của hệ thống nối đất là các hiện tượng vật lý chủ yếu được quan tâm nghiên cứu Các công trình nghiên cứu trên thế giới về lĩnh vực này cho đến nay đối với hiện tượng ion hóa đất chỉ dừng lại ở các khảo sát bằng mô hình vật lý

Điểm mới của luận văn là sử dụng mô hình đường dây truyền tải và phương pháp sai phân hữu hạn, bằng cách rời rạc hóa thông số (R,L,C,G) của các phân đoạn thanh dẫn để khảo sát hiện tượng ion hóa trong hệ thống nối đất trên cơ sở sử dụng mối quan hệ giữa cường độ điện trường ngưỡng gây nên hiện tượng ion hóa trong đất và sự thay đổi bán kính biểu kiến của các phân đoạn thanh dẫn khi xảy ra hiện tượng ion hóa trong lưới nối đất

Kết quả tính toán của chương trình tính toán cho thấy cần thiết phải tính đến hiện tượng ion hóa trong đất khi thiết kế hệ thống nối đất, đặt biệt là đối với đất có điện trở suất cao và kích thước lưới nối đất khoảng 100x100m2 trở xuống Điều này

là do với điều kiện nêu trên, hiện tượng ion hóa xảy ra mãnh liệt làm tăng kích thước biểu kiến của các thanh dẫn tạo nên lưới đặc biệt là các thanh có điểm nối với

Trang 6

================================================================

điểm sét vào lưới, gây nên giảm điện trở tản xung đáng kể của hệ thống nối đất Việc nghiên cứu hiện tượng ion hóa trong hệ thống nối đất góp phần làm rõ bản chất, cơ chế vật lý của hiện tượng cũng như khả năng giảm chi phí khi xây dựng hệ thống nối đất khi tính toán được ảnh hưởng của hiện tượng lên điện trở tản xung của

hệ thống

Hướng phát triển của đề tài : Trong quá trình nghiên cứu đề tài, do không có điều kiện nghiên cứu thực nghiệm nên đề tài đã sử dụng các kết quả nghiên cứu trên thanh dẫn nối đất để áp dụng vào tính toán quá độ trên lưới nối đất Điều này đã làm cho kết quả tính toán của chương trình bị hạn chế, chưa phản ảnh chính xác các giá trị vật lý thực của lưới nối đất Để hoàn chỉnh đề tài cần có thêm nghiên cứu thực nghiệm bổ sung các yếu tố ảnh hưởng của các quá trình quá độ vật lý xảy ra trên lưới vào các thông số (R,L,C,G) của phân đoạn thanh dẫn theo kích thước, hình dạng hình học của lưới

Trang 7

================================================================

MỤC LỤC

Chương 1 :

Tổng quan về sét, các mô hình hệ thống nối đất và phương pháp số 1

1.1 Sơ lược về sự hình thành sét , các tham số chủ yếu và cường độ hoạt động của sét 1

1.1.1 Sơ lược về sự hình thành sét 1

1.1.2 Các tham số chủ yếu của sét 3

1.1.3 Mật độ sét đánh trung bình: 5

1.2.Tình hình dông sét ở Việt nam 8

1.2.1 Đặc điểm tình hình dông sét tại Việt Nam 8

1.2.2 Phân hóa mùa của dông trên lãnh thổ Việt Nam 9

1.2.3 Khả năng dự báo sét tại Việt Nam hiện nay 10

1.3 Sự cần thiết của việc nghiên cứu, tính toán tổng trở tản xung của hệ thống nối đất 12

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống nối đất khi tản dòng sét 13

1.4.1 Điện trở tản xung của dạng nối đất tập trung 13

1.4.2 Điện trở tản xung của nối đất kéo dài 13

1.4.2.1 Khi bỏ qua hiện tượng ion hóa trong đất 13

1.4.2.2 Khi có quá trình phóng điện trong đất 14

1.5 Tổng quan về các mô hình hệ thống nối đất và phương pháp số 14

1.5.1 Sơ lược về các hướng tiếp cận mô hình tính toán hệ thống nối đất thu sét 14

1.5.2 Cách tiếp cận mạch điện (Circuit approach) 16

1.5.3 Cách tiếp cận trường điện từ :( Electromagnetic field approach) 19

1.5.4 Cách tiếp cận hỗn hợp : (Hybrid approach) 20

1.5 5 Cách tiếp cận theo mô hình đường dây truyền tải : (Transmission line approach) 20

1.6 Giới thiệu các phương pháp số phổ biến hiện nay 21

Trang 8

================================================================

1.6.1 Phương pháp phần tử hữu hạn ( FEM-Finite Element Method) 21

1.6.2 Phương pháp sai phân hữu hạn : (FDM- Finite Differential Method) 22

1.7 Hướng nghiên cứu của đề tài 22

Chương 2 : Hiện tượng ion hóa đất trong mô hình hệ thống nối đất 24

2.1.Giới thiệu 24

2.2 Vấn đề điện trở suất dư (residual resistivity) trong vùng đất bị ion hóa 24

2.2.1 Các kết quả thí nghiệm liên quan đến điện trở suất dư (residual resistivity) trong vùng đất bị ion hóa 24

2.2.2 Kết luận về điện trở suất dư trong vùng đất bị ion hóa 33

2.3 Vấn đề hiện tượng ion hóa đất dưới điện áp xung sét 34

2.4 Quan điểm về hình dạng của vùng ion hóa thanh nối đất 37

2.5 Nhận xét chung về hiện tượng ion hóa đất do sét 40

Chương 3 Ứng dụng phương pháp sai phân hữu hạn vào mô hình đường dây truyền tải nghiên cứu quá độ của hệ thống nối đất 41

3.1 Phương pháp sai phân hữu hạn 41

3.2 Mô hình đường dây truyền tải trong hệ thống nối đất 42

3.3 Áp dụng phương pháp sai phân vào mô hình đường dây truyền tải 44

3.4 Cách tính điện áp, dòng điện trên thanh dẫn chôn dưới đất khi xét đến hiện tượng ion hóa trong đất 46

3.5 Cách xác định dòng điện tản 47

3.6 Cách tính toán điện trở tản xung của hệ thống nối đất 47

3.7 Quan hệ tại các điểm nút lưới 48

3.8 Thuật giải tổng quát cho trường lưới nối đất có xét đến quá trình ion hóa 49

Trang 9

================================================================

3.9 Thông số đầu vào và đầu ra của chương trình tính toán quá độ 49

Chương 4 : Kết quả tính toán quá độ trên lưới nối đất 51

4.1 Kết quả thu được đối với nối đất dạng thanh 51

4.1.1 Trường hợp 1 : So sánh với kết quả của [29] 51

4.1.2 Trường hợp 2 53

4.1.3 Trường hợp 3 55

4.2 Tính toán quá độ khi chưa xét đến hiện tượng ion hóa đất 57

4.2.1 Kết quả thu được của nối đất lưới 1x1 58

4.3.Kết quả tính toán quá độ xét sự thay đổi điện trở suất của đất 76

4.3.1 Lưới nối đất 2x2 76

4.4 Kết quả tính toán quá độ khi có xét đến hiện tượng ion hóa đất 79

4.4.1 Trường hợp thanh 79

4.4.2 Trường hợp lưới 4x4 82

4.4.2 Trường hợp lưới 6x6 84

4.5.Kết luận& đánh giá chung 86

Phụ lục 87

Trang 10

Chương 1 : Tổng quan về sét, các mô hình hệ thống nối đất và phương pháp số

================================================================

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ SÉT, CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP SỐ

1.1 Sơ lược về sự hình thành sét , các tham số chủ yếu và cường độ hoạt động của sét [1]

1.1.1 Sơ lược về sự hình thành sét :

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

tự quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn Chính sự tương tự đó đã cho phép mô phỏng sét trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu những qui luật của nó và nghiên cứu các biện pháp bảo vệ chống sét

Quá trình phóng điện của sét gồm 3 giai đoạn chủ yếu :

Hình 1.1:Các giai đoạn phóng điện và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian

(a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo

(b) Tia tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt

(c) Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu

(d) Phóng điện chủ yếu kết thúc, dòng sét đạt giá trị cực đại

1 Giai đoạn phóng điện tiên đạo từng đợt :

Trang 11

================================================================ Thoạt tiên xuất phát từ mây dông một dãi sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn

về phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105 đến 106 m/s Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích âm của mây dông và điện tích âm trong kênh tiên đạo đã gây nên sự tập trung điện tích trái dấu (điện tích dương ) trên vùng mặt đất phía dưới đám mây dông (hiện tượng này xuất hiện do cảm ứng giống như hiện tượng tích điện của hai bản tụ điện một chiều)

2 Giai đoạn phóng điện chính (hay phóng điện ngược):

Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất (thời gian vào

khoảng 20ms) hoặc tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều, thì bắt đầu giai đoạn phóng

điện ngược hay phóng điện chính, tương tự như các quá trình phóng điện ngược trong chất khí ở điện trường không đồng nhất (H.1.1.b) Trong khoảng cách khí còn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất (hoặc giữa hai đầu kênh tiên đạo ngợc chiều) cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hoá mãnh liệt không khí, dẫn đến sự hình thành một dòng plasma mới, có mật độ điện tích cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của kênh tiên đạo (1016÷1019 ion/m3), điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm,

hàng ngàn lần, điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn vào dòng ngược này trung hoà điện tích âm của kênh tiên đạo trước đây và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất, làm cho cường độ điện trường ở khu vực tiếp giáp của hai dòng plasma ngược chiều nhau tăng lên gây nên ion hóa mãnh liệt không khí ở khu vực này và như vậy đầu dòng plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên trên theo đường đã được dọn

sẵn bởi kênh tiên đạo Tốc độ của kênh phóng điện ngược vào khoảng

1,5x107÷1,5x198 m/s (bằng 0,05÷0,5 tốc độ ánh sáng) tức là nhanh gấp trên trăm

lần tốc độ phát triển của dòng tiên đạo (H.1.1.c) Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên kênh phóng điện chính sáng chói chang (đó chính là tia chớp) Nhiệt

độ trong kênh phóng điện có thể đến vài ba chục ngàn 0C, (gấp vài ba lần nhiệt độ trên bề mặt mặt trời) Và sự dãn nở đột ngột của không khí bao quanh kênh phóng điện chính tạo nên những đợt sóng âm mãnh liệt, gây nên những tiếng nổ chát chúa (đó là tiếng sấm) và tiếng rền ì ầm kéo dài Đặc điểm quan trọng nhất của phóng

điện chính là cường độ dòng lớn Nếu v là tốc độ phóng điện chủ yếu và σlà mật độ

Trang 12

================================================================ đường của điện tích thì dòng điện sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện chính lên đến đám mây dông và bằng Is =σ.v Đó chính là dòng ngắn mạch khoảng cách khí giữa mây-đất, có trị số từ vài kA đến trên vài trăm kA

3 Giai đoạn kết thúc :

Được đánh dấu khi kênh phóng điện chính lên đến đám mây, điện tích dương cảm ứng từ mặt đất theo lên, tràn vào và trung hòa với điện tích âm của đám mây Một phần nhỏ của số điện tích còn lại của đám mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và tạo nên chỗ sét đánh một dòng điện có trị số giảm dần tương ứng với phần đuôi sóng của xung dòng sét

1.1.2 Các tham số chủ yếu của sét :

Biên độ dòng điện sét : Dòng điện sét có trị số lớn nhất vào lúc kênh phóng

điện chính lên đến trung tâm điện tích của đám mây dông Nếu chỗ bị sét đánh có nối đất tốt, điện trở không đáng kể thì trị số lớn nhất của dòng điện sét : Is=σv trong

đó v là tốc độ phóng điện chủ yếu và σ là mật độ đường của điện tích Nếu điện trở nối đất của của vật bị sét đánh có trị số là R thì dòng điện sét qua vật có giá trị :

+ với zo là tổng trở sóng của khe sét

[2]Cường độ dòng điện của một tia sét thường nằm trong khoảng từ 2.000 A đến 200.000 A Thống kê các giá trị này trong thiên nhiên theo phân bố chuẩn logarit như sau:

1% các tia sét đánh vượt quá 200.000 A

Dòng điện trong hầu hết (80÷90%) các tia sét đánh xuống mặt đất là từ các phần tử mang điện tích âm trong các đám mây dông và như vậy tia sét là dòng các hạt tích điện âm

từ mây xuống mặt đất Cũng có các tia sét từ các phần tử mang điện tích dương, nhưng ít

Trang 13

================================================================ thường xuyên hơn Về chiều dòng điện là dòng điện một chiều tăng vọt trong quãng thời gian không đến 10 μs đối với tia sét mang điện tích âm (đối với tia sét mang điện tích dương thời gian này dài hơn khá nhiều), sau đó giảm dần tới một giá trị nhỏ,đối với một tia sét đơn, trong khoảng thời gian 100 μs hoặc nhỏ hơn

Để tính toán thiết kế hệ thống chống sét, theo qui phạm bảo vệ chống sét cho

các trang bị điện quan trọng, người ta sử dụng giá trị dòng điện sét (i max) được cho

là có hại nhất sau đây:

dt = μ tương ứng với thời gian đầu sóng dòng sét τđs=5μs

Độ dốc đầu sóng dòng điện sét : Được đo bằng hoa điện kế Độ dốc đầu

sóng dòng điện sét cũng thay đổi trong một phạm vi rộng và thường được cho dưới dạng xác suất và độ dốc dầu sóng này tương ứng với khoảng thời gian gọi là thời gian dầu sóng τds

Độ dài sóng dòng điện sét τs : là thời gian cho đến khi dòng sét giảm còn một nửa biên độ cực đại của nó

Cường độ hoạt động của sét : được biểu thị bằng số ngày trung bình có

dông sét hàng năm hoặc bằng tổng số giờ trung bình có dông sét hàng năm

s

Hình 1.2 : Dạng dòng điện sét

Trang 14

================================================================

Mật độ của sét là số lần sét đánh trung bình trên một đơn vị diện tích mặt đất

(1km2) trong một ngày sét hoặc một giờ sét

Cực tính của sét : Số liệu quan trắc sét của nhiều nước trong nhiều năm cho

thấy sóng dòng điện sét mang cực tính âm xuất hiện thường xuyên hơn và chiếm khoảng 80 ÷90% toàn bộ số lần phóng điện sét

1.1.3 Mật độ sét đánh trung bình: [2]

Mật độ sét phóng xuống đất là số lần sét phóng xuống mặt đất trên 1km2trong một năm Giá trị này thay đổi rất lớn Ước tính giá trị mật độ sét phóng xuống đất trung bình năm được tính toán bằng quan sát trong rất nhiều năm cho các vùng trên thế giới được cho trong Bảng 1.1 và Hình 1.3 Bản đồ mật độ sét đánh trung bình trong năm ở Việt Nam được cho ở Hình 1.4 Số liệu về mật độ sét đánh trung bình trong năm tại các trạm khí tượng ở Việt Nam được cho ở phụ lục của luận văn này

Các mức đồng mức được sử dụng trên bản đồ ở Hình 1.4 dao động từ 1,4 đến 13,7 Khi áp dụng giá trị mật độ sét phóng xuống đất cho một vị trí không nằm trên đường đồng mức để tính toán nên lấy giá trị lớn hơn giữa các giá trị đường đồng mức lân cận nó Ví dụ vị trí nằm giữa hai đường đồng mức có giá trị là 5,7 và 8,2 thì lấy giá trị mật độ sét phóng xuống đất là 8,2 lần/km2/năm; vị trí nằm giữa hai đường đồng mức có giá trị là 8,2 và 10,9 thì lấy giá trị mật độ sét phóng xuống đất

là 10,9 lần/km2/năm; vị trí nằm ở vùng có giá trị > 13,7 thì lấy giá trị mật độ sét phóng xuống đất là 16,7 lần/km2/năm Có thể tham khảo phụ lục về mật độ sét phóng xuống đất cho các địa danh được lập trên cơ sở bản đồ mật độ sét (Hình 1.4)

Bảng 1.1:Mối quan hệ giữa số ngày có sét đánh trong 1 năm

Trang 15

Trang 16

================================================================

Hình 1.4 Bản đồ mật độ sét trung bình năm của Việt Nam [3]

Ghi chú: Bản đồ này do Viện Vật lý Địa cầu cung cấp

Trang 17

================================================================

1.2.Tình hình dông sét ở Việt nam

1.2.1 Đặc điểm tình hình dông sét tại Việt Nam : [3]

Nước Việt Nam ta có vị trí nằm gần xích đạo, chịu khí hậu nhiệt đới gió mùa, khí hậu bị ảnh hưởng của cả khí hậu lục địa lẫn khí hậu biển nên có lượng mưa bão đi kèm dông sét hàng năm là khá lớn

Xét về mặt bản chất, sét thường chỉ xảy ra trong các cơn dông Theo các chuyên gia, những cơn dông đầu mùa mưa tại Việt Nam thường mang theo những trận sét nguy hiểm nhất Thực tế, sự hình thành các cơn dông luôn gắn liền với sự xuất hiện của những khối 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, đặt biệt ở các vùng cao (dông nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với không khí lạnh nặng (dông front), luồng không khí nóng ẩm

bị đẩy lên trên Ở các vùng đồi núi cao, các luồng không khí nóng ẩm trườn theo sườn núi lên cao đó là dông địa hình Phổ biến ở nước ta là dông nhiệt, thường xảy

ra vào mùa hè Mặt khác, do cấu tạo địa hình núi cao chạy dài theo bờ biển, chắn gió nóng ẩm từ bờ biển thổi vào tạo ra dông địa hình, đây cũng là kiểu dông phổ biến ở các vùng núi nước ta

Dông sét ở Việt Nam hoạt động rất mạnh Mỗi năm có từ 80– 100 ngày dông Tần số hoạt động của dông sét mỗi năm là rất khác nhau Có thể năm này ít

đi, năm kia nhiều lên so với mức trung bình hàng năm là điều hoàn toàn bình thường ở bất kỳ địa phương nào trên cả nước Các nhà khoa học nhận định những

năm mặt trời hoạt động mạnh hơn sẽ nhiều dông sét hơn

Theo Viện Vật lý - Địa cầu, Việt Nam nằm ở tâm dông châu Á - một trong

ba tâm dông trên thế giới, có hoạt động dông sét mạnh Mùa dông ở Việt Nam tương đối dài, số giờ dông trung bình là 250 giờ/năm Trong vòng một năm có thể

có tới 2 triệu cú sét đánh xuống đất trên khắp cả nước Những khu vực thường xảy

ra sét đánh là Cổ Dũng (Hải Dương), Sơn Lộc (Hà Tĩnh), Đồng bằng sông Cửu Long Ngoài tác dụng có lợi như mang lại nước mưa, cung cấp đạm, dông sét còn là

Trang 18

================================================================ hiểm họa gây thiệt hại về người và của Đặc biệt, sét đánh vào hệ thống điện gây sự

cố làm hư hỏng nhiều thiết bị điện đắt tiền và làm mất điện nhiều khu vực gây tổn thất cho nền kinh tế quốc dân

1.2.2 Phân hóa mùa của dông trên lãnh thổ Việt Nam : [1]

Đối với ngành điện việc kiểm tra bảo trì hệ thống nối đất hàng năm là một việc làm rất quan trọng được qui định trong qui phạm của ngành Do đặc điểm của

hệ thống điện nước ta phân bố từ bắc đến nam nên nắm vững thời gian xuất hiện dông của các khu vực tạo điều kiện cho việc sắp xếp thời gian kiểm tra, bảo trì hợp

lý, giảm thiểu các rủi ro do sét gây ra trên toàn hệ thống

Ở nước ta dông có khả năng xuất hiện hầu như quanh năm ở các vùng miền, tuy nhiên thời kỳ tập trung mật độ cao nhất là mùa mưa Từ kết quả thống kê của hơn 100 trạm nghiên cứu sét, có thể rút ra một số nhận xét như sau :

- Ở phần phía đông Hoàng Liên Sơn, dông phát triển mạnh từ tháng 4, cực đại vào tháng 7 hoặc tháng 8 với số ngày dông trung bình lên đến 10 ngày, sau đó giảm nhanh, tới tháng 10 số ngày có dông chỉ còn 2-3 ngày Các tháng mùa đông số ngày dông xuất hiện không đáng kể

- Ở Tây Bắc, mùa dông đến sớm hơn, cực đại hàng năm cũng xảy ra lớn hơn Tháng 3, dông đã phát triển khá mạnh, trung bình 4-6 ngày với khoảng 20-25 giờ có dông Số ngày có dông cực đại vào tháng 4 đến tháng 5 với khoảng 11-15 ngày và 40-70 giờ dông Mùa dông ở đây có thể coi là bắt đầu từ tháng 3 đến tháng 9 Ba tháng ít dông nhất là 11, 7 và 1

- Ven biển trung bộ, biến trình năm của dông có đến 2 cực đại Cực đại chính rơi vào tháng 7-9 và cực đại thứ hai rơi vào tháng 5 nhưng trị số chênh nhau chỉ 0,5-

1 ngày Các tháng 6,7 số ngày dông giảm đáng kể chỉ còn khoảng 2-3 ngày với số giờ dông giảm đáng kể chỉ còn khoảng 2-3 ngày với số giờ dông 3-6 giờ Mùa dông kéo dài 7 tháng từ tháng từ tháng 4 đến tháng 10, các tháng mùa đông xuất hiện dông rất ít

Trang 19

================================================================ -Khu vực Tây Nguyên, cũng với biến trình 2 đỉnh nhưng cực đại chính rơi vào kỳ đầu, tập trung vào tháng 5 Cực đại thứ 2 rơi vào tháng 9 Thời kỳ giữa hai cực đại, tháng 6-8, số ngày dông giảm đi trên 50% so với tháng 5 và tháng 9 Mùa dông kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10

- Vùng Nam Bộ, biến trình năm của dôngcó nét giống với khu vực Tây Nguyên Cực đại chính rơi cũng vào tháng 5 và cực đại thứ 2 rơi vào tháng 9, tuy nhiên sau tháng 9 dông vẫn còn phát triển mạnh, mãi dến tháng 12 trị số này mới giảm hẳn xuống, điều này khác với Tây Nguyên Mùa dông vùng Nam Bộ cũng kéo dài từ tháng 4 đến tháng 11

1.2.3 Khả năng dự báo sét tại Việt Nam hiện nay : [3]

Theo các chuyên gia, dựa trên đặc điểm sét chỉ thường hình thành trong những cơn dông nên việc dự báo sét sẽ xảy ra ở khu vực nào để cảnh báo cho người dân là hoàn toàn có thể thực hiện được

Hiện nay Việt Nam đã có hệ thống định vị dông sét gồm 8 trạm nằm rải rác khắp cả nước gồm : Thái Nguyên, Bạc Liêu, Bình Thuận, Phú Yên, Quảng Trị, Mộc Châu, Phú Thụy, Nghĩa Đô Với khả năng dự đoán trong bán kính 200 km cho mỗi trạm, hệ thống các trạm quang trắc trên đã có thể dự đoán về nguy cơ xảy ra dông sét tại bất kỳ địa phương nào trên toàn lãnh thổ Việt Nam Các số liệu đo sự phóng điện sét trên mặt đất qua 8 trạm đếm sét nêu trên là cơ sở để thiết lập bản đồ mật độ sét ở Việt Nam Ngoài ra, các nhà khoa học còn kết hợp sử dụng dữ liệu vệ tinh do

Cơ quan vũ trụ Mỹ cung cấp và dữ liệu radar thời tiết tại Việt Nam để xử lý, phân tích, làm rõ cơ chế hoạt động dông sét ở Việt Nam

Từ khoảng đầu năm 2006, Viện Vật lý địa cầu Việt Nam đã xây dựng hoàn chỉnh một thiết bị cảnh báo dông sét sớm trước nửa tiếng tại Hà Nội Thiết bị có thể được nhân rộng để giúp người dân tránh được những tai nạn đáng tiếc do thiên nhiên gây ra Chiếc máy bao gồm phần ăngten và bộ phận xử lý tín hiệu, có thể cảnh báo trước 30 phút đến 1 tiếng trong vòng bán kính 10-50 km, tuỳ thuộc vào nhu cầu của người sử dụng.[3]

Trang 20

================================================================

Ban đầu, bộ phận ăngten thu nhận tín hiệu về môi trường hoạt động dông sét, tín hiệu này sẽ được bộ phận xử lý tín hiệu đánh giá dựa trên đặc điểm hoạt động dông sét của khu vực lắp đặt thiết bị Nó sẽ tự động điều chỉnh và phát ra tín hiệu cảnh báo Tuỳ theo yêu cầu, thiết bị có thể cảnh báo trên màn hình, báo động bằng còi hay ngắt điện mạng lưới Chiếc máy được lắp đặt ngoài trời và hoạt động hoàn toàn tự động, phù hợp lắt đặt tại các khu công nghiệp, bãi tắm, khu dân cư

Trang 21

================================================================

1.3 Sự cần thiết của việc nghiên cứu, tính toán tổng trở tản xung của hệ thống nối đất :

Theo thống kê của ngành điện trong 5 năm (1989 - 1994), chỉ trên đường dây

220 KV (Phả Lại - Hà Đông) đặt 300 cột ghi đo đếm sét, có tới 286 cú sét đánh vào đường dây làm vỡ sứ, gây mất điện lưới Năm 2001, ngành điện có khoảng 400 sự

cố, 50% trong số đó là do sét gây ra Đặc biệt, hồi 18h20" ngày 2/6/2001, sét đã đánh nổ một máy cắt 220 KV (trong số 20 máy) của Nhà máy Thủy điện Hòa Bình, gây cắt không đồng pha làm mất điện thanh cái, 10 phút sau mới đóng được điện đường dây 220 KV.Sự cố đã khiến lưới điện miền Bắc bị rã, nhiều nhà máy nhiệt điện bị tách ra khỏi hệ thống Hà Nội và nhiều tỉnh, thành khác đã bị mất điện diện rộng trong vòng từ 10 tới 30 phút

Mới đây nhất, theo báo Dân Trí, khoảng 1 giờ sáng 4/9/2008, trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh có mưa giông kèm theo sấm, sét Sét đánh vào hệ thống đường dây tải điện và trạm biến áp đã gây sự cố, khiến nhiều nơi bị mất điện Trạm biến áp 110

KV Võ Cường (thành phố Bắc Ninh) do Xí nghiệp điện cao thế miền Bắc quản lý bị

sự cố mạch bảo vệ, khiến cho các phụ tải sau trạm này bị mất điện, tê liệt trong nhiều giờ Một số đường dây, đường nhánh của đường dây 35 KV từ xã Võ Cường

đi Nhà máy kính Đáp Cầu (thành phố Bắc Ninh), xã Bình Định (Lương Tài) đi huyện Thuận Thành đã bị vỡ quả sứ, nổ chì làm hàng trăm doanh nghiệp, cơ sở sản xuất bị ngừng hoạt động

Như vậy, sét là nguyên nhân gây sự cố hàng đầu cho hệ thống điện Ảnh hưỡng của sét đến tình trạng vận hành an toàn của hệ thống điện là rất lớn Điều này

là do hệ thống chống sét trạm, nhà máy và đường dây của ngành điện thiết kế chưa đảm bảo mà nguyên nhân sâu xa liên quan đến kết cấu của hệ thống nối đất Chính điện trở tản xung của hệ thống nối đất trong các sự cố nêu trên không đủ nhỏ để tiêu tán dòng sét đã gây nên hiện tượng phóng điện ngược là một phần nguyên nhân làm hỏng máy cắt, sự cố mạch bảo vệ trạm…

Việc đảm bảo an toàn cho con người và các trang bị, giảm thiểu các thiệt hại

do sét gây ra, duy trì ổn định, hoạt động liên tục của hệ thống điện là việc vô cùng

Trang 22

================================================================ quan trọng Do vậy cần phải xem xét vấn đề phòng chống sét một cách đầy đủ, khoa học

Ngày nay với sự phát triển của khoa học, con người đã chế tạo được nhiều kiểu thiết bị thu sét tốt để góp phần nâng cao khả năng phòng chống tác hại của sét đánh vào các công trình quan trọng Tuy nhiên, các thiết bị thu sét này sẽ không phát huy được hiệu quả hoặc sẽ bị phản tác dụng nếu không có một hệ thống nối đất tốt để tản dòng sét vào đất cũng như giữ cho điện thế của các phần tử nối đất không quá cao để hạn chế phóng điện ngược từ các phần tử đó đến các bộ phận mang điện

và các thiết bị điện khác

Đối với các nhà máy điện và trạm biến áp, hệ thống nối đất thường tạo thành một mạch khép kín dạng lưới

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống nối đất khi tản dòng sét :[1]

1.4.1 Điện trở tản xung của dạng nối đất tập trung:

Đối với dạng nối đất tập trung, do chiều dài điện cực không lớn, ảnh hưởng của điện cảm bản thân điện cực không đáng kể, có thể bỏ qua, trong khi hiện tượng ion hóa đất tạo nên xung quanh điện cực một khu vực dẫn điện tốt Trong tính toán gần đúng có thể coi hiện tượng ion hóa phát triển đồng đều quanh điện cực và có độ dẫn điện tương đương với kim loại làm điện cực, có nghĩa là tương đương với sự tăng kích thước của điện cực

Khu vực ion hóa đất xung quanh điện cực được giới hạn bởi bề mặt có cường

độ điện trường bằng cường độ điện trường ngưỡng gây nên hiện tượng ion hóa đất

1.4.2 Điện trở tản xung của nối đất kéo dài:

1.4.2.1 Khi bỏ qua hiện tượng ion hóa trong đất:

Trường hợp này có thể xảy ra khi dòng điện sét có biên độ không lớn truyền qua điện cực hoặc dòng sét rẽ theo nhiều nhánh của hệ thống nối đất Khi đó, tổng trỏ tản xung gồm hai thành phần:

• Thành phần ổn định có trị số bằng điện trở tản xoay chiều

Trang 23

================================================================

• Thành phần cảm kháng quá độ giảm theo thời gian Điện cực càng ngắn, hằng số thời gian của quá trình quá độ càng bé thì quá trình quá độ càng càng mau kết thúc, tổng trở càng tiến nhanh đến trị số

ổn định, phân bố điện áp theo chiều dài càng đồng nhất hơn

Điện cực càng dài thì càng cách xa đầu vào sét, điện áp càng giảm nhanh, tức

là hiệu quả tản dòng sét càng kém

1.4.2.2 Khi có quá trình phóng điện trong đất

Do ảnh hưởng của điện cảm nên mật độ dòng điện và cường độ điện trường giảm dần dọc theo chiều dài điện cực, làm cho khu vực đất bị ion hóa hẹp dần Vì vậy, điện dẫn tản xung theo đơn vị chiều dài của nối đất kéo dài không còn là hằng

số nữa mà phụ thuộc vào phân bố áp dọc theo chiều dài điện cực

Ở một điện trở suất ρ nhất định của đất, khi dòng sét tăng, hiện tượng ion đất mãnh liệt hơn sẽ làm giảm tổng trở tản xung Z x đáng kể

Khi chiều dài điện cự không lớn lắm thì có thể Z x<R~(điện trở tản xoay

chiều) và hệ số xung αx ≤1, khi chiều dài điện cự tăng thì có thể Z x >R~ vàαx >1

Từ đó có thể rút ra kết luật là: ứng với một trí số ρ và I nhất định có một trị

số giới hạn của chiều dài điện cực mà vượt quá giới hạn đó, tổng trở tản xung không giảm khi tăng chiều dài điện cực nữa, hiệu quả tản dòng sét kém và như thế không hợp lý về kinh tế và kĩ thuật

1.5 Tổng quan về các mô hình hệ thống nối đất và phương pháp số:

1.5.1 Sơ lược về các hướng tiếp cận mô hình tính toán hệ thống nối đất thu sét [4]

Trước đây, khi ngành khoa học máy tính chưa phát triển các nhà khoa học đã đưa ra mô hình các thanh dẫn nối đất để nghiên cứu hệ thống nối đất Đây là thời kỳ đầu của mô hình tính toán hệ thống nối đất và các phương pháp dùng giải tích, thực nghiệm được áp dụng để tiếp cận nghiên cứu Một đại diện của thời kỳ này là năm

1934, Bewley [5] nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá độ của hệ thống nối đất chống sét Ông đã bắt đầu từ việc nghiên cứu trở kháng của hệ thống nối đất bằng cách bơm điện áp đơn vị vào một điểm trên lưới nối đất Nhìn chung thời kỳ này

Trang 24

================================================================ việc tìm hiểu về hệ thống nối đất đã tạo được cơ sở nhưng do còn giới hạn về công

cụ tính toán nên nặng về thực nghiệm trên mô hình, kết quả chưa phản ảnh được tính quá trình và đã được đơn giản hóa bằng các giả thiết để phù hợp với công cụ tính toán thời đó

Trong khoảng những năm 1960, các nhà khoa học Liên Xô (cũ) đã sử dụng phương pháp mô hình vật lý, đây là một phương pháp thực nghiệm, thực hiện tương đối phức tạp Tuy nhiên, kết quả của phương pháp này có thể ứng dụng với độ chính xác cho phép về mặt kỹ thuật Trong một thời gian dài, kết quả của phương pháp này được dùng để kiểm chứng các mô hình toán học khác

Từ đầu những năm 1980, khả năng của các máy tính đã tăng đáng kể, nó làm gia tăng gần như tất cả các lĩnh vực nghiên cứu về khoa học và kỹ thuật trong việc giải quyết vấn đề thực tiễn phức tạp dựa vào sức mạnh của các phương pháp

số Do vậy, mô hình chế độ quá độ phức tạp của hệ thống nối đất do sét đánh đã có những cải thiện đáng kể do :

• Những mô hình thời kỳ trước đều được giả thiết để dẫn đến những phương trình toán học đơn giản phù hợp với khả năng phân tích, tính toán lúc bấy giờ Tuy nhiên, bắt đầu từ thời kỳ này, bằng cách sử dụng các phương pháp

số , hầu hết phương trình phức tạp đều có thể được giải quyết

• Những hệ thống nối đất phức tạp trong thực tế có thể được mô hình hóa nhờ

bộ nhớ lớn và tốc độ xử lý cao của các máy tính

Những phương pháp mô hình hóa số khác nhau cho việc nghiên cứu

hệ thống nối đất dưới sự ảnh hưởng của xung sét đã phát triển từ những năm

1980 cho đến ngày nay có thể được phân loại như sau :

• Cách tiếp cận mạch điện (Circuit approach)

• Cách tiếp cận trường điện từ (Electromagnetic field approach)

+ Phương pháp Moment ( Method of moment)

Trang 25

================================================================

+ Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element method)

• Cách tiếp cận hỗn hợp (Hybrid approach)

• Cách tiếp cận theo mô hình đường dây truyền tải (Transmission line

approach)

1.5.2 Cách tiếp cận mạch điện (Circuit approach) [4]

Một trong những cách mô hình số thường được dùng để mô hình hóa chế độ quá độ phức tạp của hệ thống nối đất với những hình dạng phức tạp là cách tiếp cận mạch điện Những bước chính liên quan trong phương pháp này như sau :

• Chia hệ thống nối đất ra thành nhiều phần tử hữu hạn

• Tạo ra mạch tập trung tương đương của mỗi phần tử và tính toán các tham số của phần tử đó như : điện cảm, hổ cảm, điện dung, điện trở trong …

• Giải các phương trình nút của mạch tương đương đại diện cho toàn

bộ mạch nối đất dựa vào các luật Kirchoffs Các phương trình nút có thể được trình bày bằng các hình thức khác nhau dựa vào được mạch tương đương của hệ thống nối đất

Cách tiếp cận mạch điện để phân tích quá độ hệ thống nối đất được Meliopoulos [6]và các cộng sự phát triển đầu tiên vào năm 1983

Sau đó, Meliopoulos và các cộng sự đã cải tiến cách tiếp cận mạch điện của

hệ thống nối đất dùng cho nghiên cứu sét bằng cách tính toán đáp ứng của mỗi phần

Hình 1.5: Các dạng mạch tương đương của mỗi phần tử theo cách tiếp cận mạch điện của Meliopoulos

Trang 26

Đến năm 1999, Geri, Otero và các cộng sự [8],[9],[10] đã có hai bổ sung cho cách tiếp cận mạch điện dựa trên công trình của Meliopoulos Họ đã đưa hiện tượng ion hóa đất vào mô hình của họ

Hình 1.7: Các mạch tương đương của điện dung – điện kháng nhánh của hệ thống nối đất trong mô hình của Geri

Hình 1.6: Mạch tương đương của hệ thống nối đất lưới ô vuông

Trang 27

================================================================

Nhận xét : Cách tiếp cận mạch điện này dễ hiểu theo nghĩa chế độ quá độ phức tạp của hệ thống nối đất được thay bằng sự phân tích quá độ đơn giản hơn của các mạch điện tương đương Sự biến đổi này làm vấn đề dễ thấy hơn Cách tiếp cận mạch điện có thể dễ dàng hợp nhất hiện tượng ion hóa không tuyến tính trong đất Hơn thế nữa, các cách tiếp cận mạch có thể bao gồm tất cả các hỗ cảm giữa các thanh

Hình 1.8: Các mạch tương đương của điện trở điện kháng nhánh của hệ thống nối đất trong mô hình của Geri

Hình 1.9 : Các mạch tương đương của hệ thống nối đất trong mô hình của Otero

Trang 28

================================================================ trong hệ thống nối đất Khiếm khuyết của cách tiếp cận này là không dự đoán được

sự trì hoãn lan truyền xung

1.5.3 Cách tiếp cận trường điện từ :( Electromagnetic field approach) [4]

Cách tiếp cận trường điện từ gồm hai phương pháp tiêu biểu mô hình hóa chế độ quá độ phức tạp của hệ thống nối đất nhằm giải các phương trình Maxwell đầy đủ bằng các xấp xỉ tối thiểu Đó là phương pháp Moment (Method of Moment)

và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Mô hình hóa chế độ quá độ phức tạp của hệ thống nối đất trên cơ sở phương pháp Moment được phát triển đầu tiên do Grcev [11-14] Phương pháp này bắt đầu

từ phương trình điện từ của Maxwell đối với tổng cường độ điện trường bị tán xạ dọc theo bề mặt thanh dẫn của hệ thống nối đất Đây là phương pháp giải các phương trình Maxwell đầy đủ trong miền tần số với số giả thiết cực tiểu Do vậy, người ta tin rằng phương pháp này rất chính xác Tần số của các dữ liệu đầu vào càng cao, độ chính xác của cách tiếp cận trường điện từ này càng lớn Tuy nhiên mô hình này quá phức tạp khó thực hiện đặc biệt khi cấu trúc của hệ thống nối đất lớn thời gian tính toán rất lớn Một bất tiện khác của cách tiếp cận trường điện từ này là cách giải trong miền tần số không dễ dàng bổ sung các hiện tượng ion hóa đất và kết hợp những thiết bị phi tuyến khác trong mô hình miền thời gian

Cách tiếp cận trường điện từ để phân tích quá độ của hệ thống nối đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được Nekhoul [15-16] và các đồng sự phát triển Phương pháp này dựa vào nguyên lý cực tiểu năng lượng trong hệ thống bằng cách sử dụng các phương trình năng lượng điện từ của các phương trình đạo hàm riêng Maxwell Khó khăn trong cách tiếp cận này sẽ biến đổi các giới hạn mở giữa môi trường không khí và môi trường đất vào trong một bài toán giới hạn đóng, sử dụng phép biến đổi không gian để giảm bớt kích thước của bài toán Thuận lợi chính của cách tiếp cận trường điện từ bằng phương pháp phần tử hữu hạn là mô tả miền (hình dạng hoặc môi trường) của bài toán Miền đó có thể là các mảnh không đồng nhất linh hoạt cao hoặc các phần tử có thể dễ dàng mô tả được hình dạng phức

Trang 29

================================================================ tạp Đó cũng là lý do vì sao hiện tượng ion hóa trong đất có thể dễ dàng đưa vào trong mô hình dùng phương pháp phần tử hữu hạn nói trên Tuy nhiên, phương pháp này khó hiểu hơn so với phương pháp Moment do nó không giải các phương trình Maxwell một các trực tiếp

1.5.4 Cách tiếp cận hỗn hợp : (Hybrid approach)

Cách tiếp cận hỗn hợp để phân tích quá độ của hệ thống nối đất do Dawalibi [17-18] giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1986 và sau đó được Andolfato và các cộng

sự bổ sung vào năm 2000[19] Cách tiếp cận này là sự kết hợp giữa cách tiếp cận trường điện từ và cách tiếp cận mạch điện Ưu điểm của cách tiếp cận hỗn hợp này

là sự ảnh hưởng của tần số lên các trở kháng trong nối tiếp, các thành phần cảm ứng

và các thành phần dung dẫn Tuy nhiên các thành phần này càng chính xác hơn cách tiếp cận mạch điện thông thường khi tần số nguồn bơm vào mạch càng cao

1.5 5 Cách tiếp cận theo mô hình đường dây truyền tải : (Transmission line approach) [4]

Ngay từ buổi ban đầu xây dựng mô hình để phân tích quá độ của hệ thống nối đất năm 1934 Bewley đã quan tâm đến việc dùng mô hình đường dây truyền tải Tuy nhiên hướng tiếp cận này đã không phát triển nhanh như cách tiếp cận mạch điện và cách tiếp cận trường điện từ Cách tiếp cận này dựa trên các phương trình truyền sóng :

Lập luận để cách tiếp cận đường dây truyền tải là cách tiếp cận đầu tiên cho

mô hình hóa tích quá độ của hệ thống nối đất là vì thoạt tiên nó được sử dụng để mô phỏng chế độ quá độ của dây nối đất dạng lưới Một lưới nối đất có chế độ quá độ

Trang 30

================================================================ cũng tương tự như quá độ của đường truyền tải điện trên không Sự khác nhau duy nhất là lưới nối đất thì chôn ngầm dưới đất còn dây truyền tải điện thì treo trên không Cách tiếp cận đường dây truyền tải để mô hình hóa chế độ quá độ của hệ thống nối đất có thể cả trong miền thời gian và trong miền tần số Nó cũng dễ dàng xét đến cả hiện tượng ion hóa đất trong miền thời gian Tương tự như cách tiếp cận mạch điện, cách tiếp cận đường dây truyền tải cũng có thể bổ sung xét đến hiện tượng hỗ cảm giữa các phần khác nhau của các thanh trong hệ thống nối đât Đồng thời hướng tiếp cận này cũng có thể dự đoán sự trì hoãn lan truyền xung, điều này là quan trọng khi hệ thống nối đất có phạm vi lớn Hơn nữa, thời gian cần thiết dùng

để tính toán theo hướng tiếp cận này ít đáng kể so với hướng tiếp cận trường điện

từ

1.6 Giới thiệu các phương pháp số phổ biến hiện nay :

Ngày nay với sự phát triển mạnh của ngành khoa học máy tính, các phương pháp số đã trở thành công cụ rất hữu ích trong việc giải các bài toán kỹ thuật Sự ra đời của các phương pháp số đã làm đơn giản hóa các bài toán mà trước đây với phương pháp giải tích không thể tìm nghiệm được Hiện nay có 02 phương pháp số thường được ứng dụng trong các bài toán kỹ thuật đó là phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp sai phân hữu hạn

1.6.1 Phương pháp phần tử hữu hạn ( FEM-Finite Element Method)

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số để giải các bài toán được

mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử) Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử

Trang 31

================================================================ Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình

vi phân từng phần và phương trình tích phân

1.6.2 Phương pháp sai phân hữu hạn : (FDM- Finite Differential Method)

Phương pháp sai phân hữu hạn là phương pháp số giải phương trình vi phân từng phần trong miền nào đó bằng các điều kiện biên Miền khảo sát được chia thành lưới sai phân hữu hạn gồm các ô giống nhau sau đó xấp xỉ đạo hàm tại một điểm thông qua các điểm lân cận và thay vào phương trình vi phân ban đầu ta được phương trình sai phân hữu hạn Khi đó việc giải bài toán phương trình vi phân đã chuyển thành giải phương trình sai phân hữu hạn bằng công cụ máy tính

Nhìn chung, sự khác nhau giữa phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp sai phân hữu hạn là:

• Phương pháp sai phân hữu hạn xấp xỉ bài toán phương trình vi phân; còn phương pháp phần tử hữu hạn thì xấp xỉ lời giải của bài toán này

• Điểm đặc trưng nhất của phương pháp phần tử hữu hạn là nó có khả năng áp dụng cho những bài toán hình học và những bài toán biên phức tạp với mối quan hệ rời rạc Trong khi đó phương pháp sai phân hữu hạn về căn bản chỉ

áp dụng được trong dạng hình chữ nhật với các mối quan hệ đơn giản

• Điểm đặc trưng của phương pháp sai phân hữu hạn là có thể dễ dàng thực hiện được

• Trong một vài trường hợp, phương pháp sai phân hữu hạn có thể xem như là một tập con của phương pháp phần tử hữu hạn xấp xỉ

1.7 Hướng nghiên cứu của đề tài :

Như đã đề cập theo các hướng tiếp cận mô hình tính toán hệ thống nối đất nêu trên, mỗi cách tiếp cận đều có một số ưu nhược điểm nhất định Chính vì điều này và các khó khăn trong việc nghiên cứu các hiện tượng đi kèm khi tản xung sét xuống hệ thống nối đất như : hiện tượng ion hóa đất, hiện tượng hỗ cảm giữa các phần tử trong hệ thống nối đất, hiệu ứng màn che … đã làm cho bài toán tính toán

Trang 32

================================================================

hệ thống nối đất vẫn còn nhiều tranh luận, chưa có mô hình tính toán chuẩn Tuy nhiên hiện nay cách tiếp cận bằng mô hình đường dây truyền tải được quan tâm nhiều hơn vì sự thuận tiện của nó trong việc tính toán và tính dễ dàng khi xét đến các hiện tượng đang được quan tâm như : hiện tượng ion hóa đất, hiện tượng hỗ cảm giữa các phần tử trong hệ thống nối đất …

Trong phạm vi bài toán bài toán mô hình đường dây của hệ thống nối đất là quan hệ của các phương trình vi phân nên phương pháp sai phân hữu hạn tỏ ra có nhiều ưu thế hơn so với phương pháp phần tử hữu hạn do tính đơn giản, dễ áp dụng của nó, đồng thời vẫn đảm bảo thời gian tính toán nhanh chóng

Trang 33

Chương 2 : Hiện tượng ion hóa đất trong mô hình hệ thống nối đất

================================================================

Chương 2 : HIỆN TƯỢNG ION HÓA ĐẤT TRONG MÔ HÌNH HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 2.1.Giới thiệu :

Điện áp xung của sét có thể gây ra hiện tượng ion hóa đất tại một khu vực nhất định của hệ thống nối đất Ảnh hưởng của hiện tượng ion hóa này cần được tính đến trong mô hình đặc tính quá độ của hệ thống nối đất Tuy nhiên cho đến hiện nay, các hiểu biết về trạng thái phi tuyến của hệ thống nối đất dưới tác động của sét vẫn chưa đầy đủ do quá trình quá độ phức tạp của nó Chương này của luận văn nhằm tìm hiểu về hiện tượng ion hóa đất do sét và các kết quả nghiên cứu liên quan đến vấn đề này của các nhà nghiên cứu trên thế giới Mục đích của công việc này là để xác định một cách chính xác tổng trở tản xung của hệ thống nối đất, từ đó hạn chế khả năng gây ra phóng điện ngược trên cách điện của trạm

2.2 Vấn đề điện trở suất dư (residual resistivity) trong vùng đất bị ion hóa : 2.2.1 Các kết quả thí nghiệm liên quan đến điện trở suất dư (residual

resistivity) trong vùng đất bị ion hóa : [20]

Năm 1988, Oettle đã thực hiện một thí nghiệm nhằm tìm hiểu bản chất vật lý của hiện tượng ion hóa đất Kết quả của thí nghiệm trên như sau :

Bảng 2.1 : Điện trở suất dư tính từ thí nghiệm của Oettle

Trang 34

================================================================ Theo Oettle, cường độ điện trường giới hạn ngưỡng để đất bị ion hóa là Eođược xác định như sau: Khi điện áp xung được đặt vào, ban đầu, trở kháng tức thời của mẫu đất giảm xuống do các thành phần tự do trong đất đáp ứng phụ thuộc tần số

và sau đó dần dần tăng lên Khi cường độ điện trường đạt đến ngưỡng, khoảng từ 7 đến 9 kV/cm trên bề mặt của điện cực hình cầu bên trong, lúc đó trở kháng của mẫu đất thí nghiệm bắt đầu giảm đột ngột một cách đáng kể Do đó, 8 kV/cm được chọn

là cường độ điện trường ngưỡng cho hiện tượng ion hóa xảy ra trong đất theo thí nghiệm của Oettle Và giá trị ngưỡng này dùng để tính toán điện trở suất dư của đất khi sử dụng dữ liệu thí nghiệm của Oettle

Khi hiện tượng ion hóa xảy ra, vùng đất bị ion hóa được giả sử là đồng nhất xung quanh điện cực cao áp và bán kính của vùng này tăng lên đến bán kính xác

định, r Ở đó, cường độ điện trường đạt đến giá trị ngưỡng gây nên hiện tượng ion

hóa, Eo Bán kính của vùng ion hóa có thể được tính bằng công thức thực nghiệm :

2

o o

I r

E

ρπ

Mỗi khi hiện tượng ion hóa xảy ra, khu vực đất bị ion hóa sẽ trở thành hai lớp đất Lớp bên trong có điện trở suất dư ρ và lớp bên ngoài vẫn là điện trở suất resnguyên thủy của đất ban đầu không bị ion hóa ρ như hình : o

Hình 2.1: Mô tả cấu trúc đất sau khi xảy ra hiện tượng ion hóa

Điện trở của khối đất bị ion hóa ở đỉnh dòng xung được tính :

Trang 35

================================================================

r v là bán kính của bình chứa bán cầu

R là điện trở của khối đất ứng với dòng điện ở thí nghiệm của Oettle Giá trị đỉnh dòng I quan hệ tương ứng với giá trị đỉnh cường độ điện trường

Es của vùng đất được thí nghiệm kề cận điện cực hình cầu bên trong Quan hệ này

có thể được tính theo công thức:

- Các giá trị từ hàng thứ 1 và 2 cho nhận xét: Đối với cùng loại đất, điện trở suất dư do hiện tượng ion hóa gây nên tỉ lệ nghịch với giá trị đỉnh dòng tản vào đất I (hoặc giá trị đỉnh cường độ điện trường Es do I gây ra trong khối đất thí nghiệm) Trên cơ sở công thức (2.1) bán kính vùng đất ion hóa r cũng tỉ lệ với dòng tản vào đất I và do đó r cũng tỉ lệ nghịch với điện trở suất dư

- Kết quả của hàng thứ 3 và 4 cũng cho nhận xét giống như trên

- Từ các giá trị của ba cột sau cùng của 3 hàng cuối cho nhận xét: Đối với hai loại đất khác nhau mặc dù giá trị điện trở suất gần nhau (646 Ωm và 643Ωm) nhưng quan hệ giữa giá trị đỉnh dòng tản vào đất I (hoặc giá trị đỉnh cường độ điện trường

Es do I gây ra trong khối đất thí nghiệm) và điện trở suất dư do hiện tượng ion hóa gây nên khác nhau, không còn qui luật

- Nhận xét chung về bảng số liệu của Oettle: Với các điện cực hình cầu có kích thước khác nhau, bằng cách thay đổi dòng điện bơm vào các khối mẫu đất thí nghiệm tạo dòng điện tản bên trong nó, nhằm gây nên hiện tượng ion hóa thì:

Trang 36

Bảng 2.2 : Tính toán điện trở suất dư của P L Bellaschi và các cộng sự

re =7,94(mm)

L=2,4384(m) ρ0=310 (Ωm) Eo=0,7 (kV/cm) I=5,5 (kA) ρdư=17,3 (Ωm)

(5,5% của ρ0)

Các giá trị ở bảng 2.2 cho các nhận xét như sau :

- Cùng một loại đất ngưỡng cường độ điện trường gây nên hiện tượng ion hóa trong đất (Eo) có giá trị như nhau

- Do ảnh hưởng tần số (60Hz) của dòng xung nên đối với phần thí nghiệm ở cọc M kết quả điện trở suất dư của vùng đất bị ion hóa không tỉ lệ nghịch với giá trị đỉnh dòng xung như trong thí nghiệm của Oettle Điều đó cho thấy tần số của dòng xung có ảnh hưởng đến điện trở suất dư

- Cột chứa giá trị ρo và cột chứa giá trị ρres trong bảng trên cho thấy có sự tương quan: điện trở suất dư ρres (trong phạm vi thay đổi tương ứng với dòng tản xung bơm vào) tỉ lệ thuận tương đối với giá trị điện trở suất ban đầu ρo.

Trang 37

================================================================

- Khác với kết quả thí nghiệm của Oettle, điện trở suất dư trong thí nghiệm

của P.L.Bellaschi và các cộng sự cho thấy điện trở suất dư nằm trong khoảng từ

4,6% đến 7,5% của điện trở suất nguyên thủy Điều này cho thấy điện trở suất dư phụ thuộc vào loại đất thí nghiệm và vào cả tần số của dòng xung bơm vào Đối với dòng sét thì phần gây nên tần số chính là độ dốc của đầu sét

Kết quả của hai thí nghiệm nêu ở bảng 1 và 2 chứng tỏ rằng với phạm vi điện trở suất của đất ban đầu từ 87 Ωm đến 690 Ωm, với dạng điện cực là hình cầu hoặc thanh đứng và giá trị đỉnh dòng I bơm vào từ vài ampe đến hàng chục ngàn

ampe thì giá trị điện trở suất dư trong vùng đất bị ion hóa cũng chỉ biến đổi từ 3 đến

8.3% giá trị điện trở suất của đất nguyên thủy ban đầu

Tiếp tục tìm hiểu về vấn đề điện trở suất dư trong vùng đất bị ion hóa, năm

1974, C.Liew và Darveniza [22] thực hiện thí nghiệm để kiểm tra tính linh động của mô hình cọc tiếp đất với dòng xung bơm vào Kích thước của cọc tiếp đất và giá trị đỉnh dòng xung bơm vào được trình bày ở bảng sau:

Bảng 2.3 : Tính toán điện trở suất dư của C.Liew và Darveniza Kích thước cọc nối đất Điều kiện của đất Dòng xung bơm vào Điện trở suất dư

I=3.3kA ρres = 11.6 Ω.m

(23.2% của ρo) I=9.7kA ρres = 6.4 Ω.m

- Cùng một điều kiện thí nghiệm (kích thước cọc nối đất và điều kiện về mẫu đất) điện trở suất dư ρres do hiện tượng ion hóa gây nên tỉ lệ nghịch với giá trị đỉnh dòng tản vào mẫu đất I Kết quả này rất phù hợp với kết quả thí nghiệm ở bảng 1 của Oettle (hai thí nghiệm này dòng xung bơm vào là xung một chiều nên không có ảnh hưởng do đáp ứng tần số)

Trang 38

================================================================

- Điện trở suất dư trung bình tính toán của thí nghiệm này là 15.3%, giá trị này gấp hai đến ba lần giá trị điện trở suất trung bình của kết quả ở hai thí nghiệm đã nêu ra trong bảng 1 và 2 (6.2% và 5.83%)

Về mặt mô hình tính toán : Trong thí nghiệm của C Liew và Darveniza, ngưỡng cường độ điện trường gây nên hiện tượng ion hóa trong đất (Eo) được chọn bằng cách điều chỉnh giá trị ban đầu trong mô hình mô tả hiện tượng ion hóa đất và cuối cùng xác định khi mô hình tính toán có thể mô phỏng lại các kết quả thí nghiệm

Mô hình động của hiện tượng ion hóa đất được C Liew và Darveniza giới thiệu đã giả thiết rằng điện trở suất trong vùng bị ion hóa thay đổi theo thời gian theo luật hàm mũ Điều này có nghĩa là điện trở suất trong vùng đất bị ion hóa sẽ không bao giờ tiến đến zero Nó có thể biểu diễn bằng công thức như sau:

1

t

ρ ρ= − Trong đó ρ là giá trị điện trở suất ban đầu của đất chưa bị ion hóa o

τ là hằng số thời gian của đất bị ion hóa 1Nếu quá trình ion hóa do cường độ điện trường E ở thời điểm E≥Ec công thức trên có thể biểu diễn dưới dạng:

E

τ

ρ ρ= + ρ −ρ − − − Trong đó : ρ là giá trị điện trở suất nhỏ nhất trong suất quá trình ion hóa đất i

τ là hằng số thời gian của đất khử ion hóa 2

E là cường độ điện trường

Ec là cường độ điện trường ngưỡng gây ra hiện tượng ion hóa đất

Để chứng tỏ rằng điện trở suất dư vẫn còn lưu lại trong đất khi xảy ra hiện tượng ion hóa đất do sét, một loạt các thí nghiệm xung lên các loại đất có điện trở suất ban đầu khác nhau đã được Yaqing Liu và các cộng sự thực hiện tại phòng thí nghiệm cao áp của đại học Uppsala – Thụy Điển[23]

Trang 39

================================================================

Hình 2.2: Mô tả thí nghiệm ở đại học Uppsala – Thụy Điển

Các thông số của mẫu đất thử nghiệm được liệt kê ở bảng sau:

Bảng 2.4: Thông số của các mẫu đất thử nghiệm Thứ tự

mẫu Thành phần của mẫu Đường kính bên trong của điện cực (mm) Điện trở suất đất (Ω.m)

Mẫu 1 36 lít cát khô, 3 lít nước tinh khiết, 18 gam muối 63 174

Mẫu 2 36 lít cát khô, 2,5 lít nước tinh khiết, 6 gam

muối

63 356 Mẫu 3 36 lít cát khô, 2 lít nước tinh khiết, 3 gam muối 30 579

Mẫu 4 36 lít cát khô, 1,5 lít nước tinh khiết, 1.5 gam

muối

30 827

Điện trở suất của mẫu đất được tính toán từ các thông số thử nghiệm nói trên

từ công thức sau, với Rs là điện trở đo được từ thí nghiệm

Trang 40

Định dạng
Số trang	116
Dung lượng	2,69 MB