Hướng dẫn chi tiết sử dụng ATPDraw để mô phỏng và tính toán quá trình sét trên đường dây tải điện

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Sử dụng phần mền atpdraw để mô phỏng và tính toán quá trình sét trên đường dây tải điện, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Tác giả: Trần Công Thiện
• Người hướng dẫn: TS. Lê Kỷ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Sử Dụng Phần Mềm ATPDraw Để Mô Phỏng Và Tính Toán Quá Trình Sét Trên Đường Dây Tải Điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Phần mềm ATPDraw và ứng dụng trong mô phỏng quá trình sét

Phần mềm ATPDraw là công cụ mạnh mẽ được sử dụng để mô phỏng quá trình sét và tính toán quá trình sét trên đường dây tải điện. Phần mềm này được phát triển để mô phỏng các hiện tượng quá độ điện từ, điện cơ và sét đánh trong hệ thống điện. ATPDraw cung cấp các mô hình chi tiết cho các phần tử của hệ thống điện, giúp người dùng dễ dàng thiết lập và thực hiện các mô phỏng phức tạp. Việc sử dụng ATPDraw trong nghiên cứu sét đánh trên đường dây tải điện giúp đánh giá hiệu quả của các biện pháp bảo vệ chống sét, từ đó nâng cao an toàn điện và độ tin cậy của hệ thống.

1.1. Giới thiệu về ATPDraw

ATPDraw là giao diện đồ họa của chương trình ATP/EMTP, được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện để mô phỏng các hiện tượng quá độ điện từ. Phần mềm này cho phép người dùng thiết lập các mô hình mạch điện một cách trực quan, kết hợp với các công cụ tính toán mạnh mẽ. ATPDraw hỗ trợ mô phỏng các hiện tượng như sét đánh, quá áp, và các hiện tượng quá độ khác trong hệ thống điện. Việc sử dụng ATPDraw giúp giảm thiểu thời gian và công sức trong việc thiết lập và thực hiện các mô phỏng phức tạp.

1.2. Ứng dụng ATPDraw trong mô phỏng sét

Mô phỏng quá trình sét trên đường dây tải điện là một trong những ứng dụng chính của ATPDraw. Phần mềm này cho phép người dùng xác định các thông số như biên độ dòng điện sét, điện áp quá độ, và phân bố dòng điện trong hệ thống khi xảy ra sét đánh. Các kết quả mô phỏng từ ATPDraw giúp đánh giá hiệu quả của các thiết bị chống sét như chống sét van, từ đó đề xuất các giải pháp bảo vệ tối ưu cho hệ thống điện.

II. Tính toán quá trình sét trên đường dây tải điện

Tính toán quá trình sét trên đường dây tải điện là một nhiệm vụ quan trọng trong việc đảm bảo an toàn điện và độ tin cậy của hệ thống. Các thông số như biên độ dòng điện sét, thời gian đầu sóng, và độ dài sóng được xác định thông qua các mô hình toán học và mô phỏng trên ATPDraw. Việc tính toán chính xác các thông số này giúp đánh giá nguy cơ sét đánh và đề xuất các biện pháp bảo vệ hiệu quả.

2.1. Mô hình tính toán sét

Mô hình tính toán sét trong ATPDraw bao gồm các thông số như biên độ dòng điện sét, thời gian đầu sóng, và độ dài sóng. Các thông số này được xác định dựa trên các dữ liệu thực tế và các mô hình toán học. Việc sử dụng các mô hình này giúp dự đoán chính xác các hiện tượng quá độ khi xảy ra sét đánh, từ đó đề xuất các giải pháp bảo vệ hiệu quả.

2.2. Đánh giá hiệu quả bảo vệ chống sét

Các kết quả tính toán từ ATPDraw được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các thiết bị chống sét như chống sét van. Việc lắp đặt chống sét van trên đường dây tải điện giúp giảm thiểu nguy cơ sét đánh và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cũng giúp tối ưu hóa vị trí lắp đặt các thiết bị chống sét, đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.

III. An toàn điện và kỹ thuật điện trong bảo vệ chống sét

An toàn điện là yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống điện khỏi các tác động của sét đánh. Các biện pháp bảo vệ chống sét như lắp đặt chống sét van và cải thiện hệ thống nối đất giúp giảm thiểu nguy cơ sét đánh và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Việc sử dụng kỹ thuật điện hiện đại như ATPDraw trong nghiên cứu và thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét giúp đảm bảo hiệu quả và tính kinh tế của các giải pháp.

3.1. Các biện pháp bảo vệ chống sét

Các biện pháp bảo vệ chống sét bao gồm lắp đặt chống sét van, cải thiện hệ thống nối đất, và sử dụng dây chống sét. Việc lựa chọn và thiết kế các biện pháp này cần dựa trên các kết quả mô phỏng và tính toán chính xác từ ATPDraw. Các biện pháp này giúp giảm thiểu nguy cơ sét đánh và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

3.2. Ứng dụng kỹ thuật điện trong bảo vệ chống sét

Kỹ thuật điện hiện đại như ATPDraw được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét. Các công cụ này giúp đánh giá hiệu quả của các biện pháp bảo vệ và đề xuất các giải pháp tối ưu. Việc ứng dụng các kỹ thuật này giúp đảm bảo hiệu quả và tính kinh tế của các giải pháp bảo vệ chống sét.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.Tổng quan - Do điều kiện địa chất, thủy ăn, địa hình và khí hậu trên thế giới có sự chênh lệch lớn theo từng vùng, từng Quốc gia. Do đó, mật độ sét từng khu vực cũng khác nhau. Các công trình tải điện nằm trong vùng có mật độ sét lớn thường bị sét đánh, dẫn đến việc cắt điện do sự cố ngắn mạch là không thể tránh khỏi. - Việt Nam là một trong những vùng có mật độ sét cao trong khu vực và trên thế giới, điều này ảnh hưởng tới khả năng c ng cấ điện ổn định và an toàn, đặc biệt đối với lưới trung áp l ôn được coi là mắt xích quan trọng của hệ thống điện Việt Nam.

Do đó, iệc nghiên cứu các mô hình chống sét hiệu quả nhất, đảm bảo được các yếu tố kỹ thuật - kinh tế à đặc thù trong khu vực của Việt Nam là rất cần thiết. - Trong hệ thống điện, đường dây trung áp có đặc điểm trải dài trên nhiề địa hình, đi a nhiều vùng khí hậu - địa chất khác nhau và chịu sự ảnh hưởng trực tiếp từ thiên nhiên do công trình hầu hết được thiết trí ngoài trời. - Theo thống kê, đa hần việc cắt điện trong lưới điện trung áp chủ yếu do sét đánh d y dẫn hoặc do sét đánh cột gây ra hiện tượng hóng điện ngược, từ đó g y ra ngắn mạch duy trì.Trong đó, số lần sự cố gây cắt điện do sét chiếm phần lớn trên lưới điện Việt Nam. Đặc biệt là vùng tuyến đi a có điện trở suất của đất lớn, hệ thống tiế đất có điện trở lớn, khu vực đồi núi có mật độ sét cao.Sự hình thành sét - Trong những điều kiện khí tượng nhất định sẽ có sự h n chia điện tích trong các đám m y dông do tác dụng của luồng khí nóng thổi lên à hơi nước ngưng tụ trong các đám m y hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với luồng không khí lạnh nặng, khi đó dông ão à sấm chớp sẽ xảy ra.

- Sét là một dạng hóng điện tia lửa trong khí quyển với khoảng cách rất lớn. Q á trình hóng điện có thể xảy ra trong khí quyển giữa các đám m y mang điện trái dấu và giữa các đám m y ới đất. Trang 4 HVTH:Trần Công Thiện Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Lê Kỷ - Sa khi đạt độ cao nhất định vùng không khí này bị lạnh đi, hơi nước ngưng tụ thành những giọt nước li ti hoặc thành những tinh thể ăng à tạo thành các đám m y dông.

Các đám m y mang điện là kết quả của sự phân tích các điện tích trái dấu và tập trung trong các phần khác nhau của đám m y. - Kết quả quan trắc cho thấy rằng phần dưới của các đám m y dông chủ yếu là chứa các điện tích m, do đó cảm ứng trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện không khí khổng lồ .Cường độ điện trường tr ng ình nơi đồng nhất thường ít khi á 1KV/cm, nhưng cá iệt nơi mật độ điện tích cao, hoặc nơi có ật dẫn điện tốt nhô lên cao trong mặt đất điện trường cục bộ có thể cao hơn nhiều và có thể đạt đến ngưỡng ion hóa không khí (ở mặt đất trị số này 25-30KV/cm và càng lên cao càng giảm, ở độ cao một vài kilomét giảm còn khoảng 10KV/cm) sẽ gây ion hóa không khí tạo thành dòng plasma, mở đầ cho á trình hóng điện sét giữa mây dông và mặt đất.1: Sự phát triển của sét trong đám mây dông. - Sét thực chất là một dạng hóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách hóng điện rất lớn. Chiều dài trung bình của khe sét khoảng 3  5 Km, phần lớn chiề dài đó hát triển trong các đám m y dông.

Q á trình hóng điện của sét tương tự á trình hóng điện tia lửa trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách hóng điện lớn. Trang 5 HVTH:Trần Công Thiện Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Lê Kỷ Hình 1.2: Sự phát triển của sóng điện sét trong đám mây dông.Cường độ hoạt động của sét 1.Số ngày sét - Cường độ hoạt động của sét được biểu thị bằng số ngày có giông sét hàng năm (nngs). Các số liệ này được xác định theo số liệu quan trắc ở các đài trạm khí tượng phân bố trên lãnh thổ từng nước.

Theo số liệu thống kê của nhiề nước, ta có: - Số ngày sét hàng năm ở ùng xích đạo : 100  150 ngày. - Số ngày sét hàng năm ở vùng nhiệt đới : 75  100 ngày. - Số ngày sét hàng năm ở ùng ôn đới : 30  50 ngày.Mật độ sét - Để tính toán số lần có hóng điện xuống đất, cần biết số lần có sét đánh trên diện tích 1[km2] mặt đất ứng với một ngày sét, có trị số khoảng ms = 0,1  0,15 [lần/km2/ngày sét]. Từ đó, sẽ tính được số lần sét đánh ào các công trình tải điện.

Kết quả tính toán này cho một giá trị trung bình. Trang 6 HVTH:Trần Công Thiện Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Lê Kỷ  Mật độ t trung bình năm tại Việt Nam Địa điểm Mật độ sét STT Tỉnh, thành phố (Tên trạm khí tượng) (số lần/km2/năm) 1. Ninh Thuận Phan Rang 1,0 2.

Phú Yên Tuy Hòa 3,4 3. An Giang Ch Đốc 4,5 4. Thái Bình Thái Bình 5,1 5. Hà Tĩnh Kỳ Anh 6,1 6.

Bà Rịa Vũng Tà Vũng Tà 7,1 7. Hải Phòng Phú Liễn 9,0 9. Gia Lai Pleiku 9,4 10. Thừa Thiên Huế A Lưới 10,0 12.

Hà Giang Hà Giang 10,5 13. Bạc Liêu Bạc Liêu 11,0 14. Cà Mau Cà Mau 11,9 15. Đăk Lăk Ban Mê Thuột 13,0 17.

Bình Phước Đồng Phú 14,9 18. Long An Mộc Hóa 16,2 (Nguồn: Viện Vật lý địa cầu) 1.Các tham số của phóng điện sét U (%) 100 50 Umax Umax 2 t (s) 0  ñs  s Hình 1.3: Dạng dòng điện sét Trang 7 HVTH:Trần Công Thiện Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Lê Kỷ - Dạng điện sét có dạng một sóng xung (Hình 1. Trung bình trong khoảng vài s, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng à sa đó giảm chậm trong khoảng (20100)s tạo nên phần đ ôi sóng.Biên độ dòng điện sét - Xác suất xảy ra dòng điện sét có iên độ lớn hơn hoặc bằng I được xác định : I  vI  e 26,1 (1-1) - Ở những ùng đồi núi, iên độ dòng điện sét thường é hơn so ới những ùng đồng bằng khoảng vài lần, do khoảng cách từ đất lên các đám m y giông ngắn hơn nên hóng điện sét đã có thể xảy ra, ngay khi mật độ điện tích của các đám m y còn é hơn.

Tức là xác suất xuất hiện dòng điện sét có biên độ lớn thấ hơn.Thời gian đầu óng và độ dài dòng điện sét - Thời gian đầ sóng hay độ dài đầ sóng được ký hiệu là đs. - Độ dài sóng dòng điện sét (s) là thời gian cho đến khi dòng sét giảm còn khoảng 1/2 iên độ của nó. - Kết quả đo đạc cho thấy phần lớn sóng dòng điện sét có thời gian đầu sóng đs = (110)s thường gặp là (14)s à độ dài sóng trong khoảng s = (20100)s. Trong tính toán thiết kế thường lấy thời gian đầu sóng đs =1,2s à độ dài sóng trung bình s là 50s tương ứng với dạng sóng chuẩn (1,2/50).

- Số liệu quan trắc sét ở nhiề nước trong nhiề năm cho thấy, sóng dòng điện sét mang cực tính âm xuất hiện thường x yên hơn à chiếm khoảng 80%  90% toàn bộ số lần hóng điện sét.Số lần t đánh trong một năm - Xét một đường dây có chiề dài là L[km], độ treo cao trung bình của d y trên cùng là h[m], đường dây sẽ thu hút về hía mình các hóng điện của sét trên dải đất có chiều rộng là 6h và chiều dài bằng cả chiều dài của đường dây. Tổng số lần có sét đánh thẳng lên đường dây hàng năm là: Trang 8 HVTH:Trần Công Thiện Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS.nngs (1-3) Trong đó ms: mật độ sét vùng đi a. nngs: số ngày sét trong một năm. h cstb : chiều cao trung bình của dây dẫn [m].

2 cs cs h cstb = hcs- f ,f :. 3 L: chiều dài của đường dây[km]. Lấy L = 100(km) ta sẽ có số lần sét đánh ào 100(km) dọc chiề dài đường dây trong một năm. N là tổng số lần sét đánh ào đường dây được tính toán như sa : N = (0,1  0,15).nngs (1-4) - Tuỳ theo vị trí sét đánh, á điện áp xuất hiện trên cách điện đường dây có trị số khác nhau.

Số lần sét đánh trực tiế ào đường dây có các trường hợp sau:  Đường dây không treo dây chống sét 1 2 3 N 1 2 3 1 2 3 Maët ñaát Rc Rc Rc Trang 9 HVTH:Trần Công Thiện Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Lê Kỷ N 1 1 1 2 3 2 3 2 3 Maët ñaát Rc Rc Rc Hình 1.4: Các trường hợp sét đánh vào đường dây không treo dây chống sét  Đường dây có treo dây chống sét N ñc N ñv N kv 4 4 1 1 1       2 3 2 3 2 3 Maët ñaát Rc Rc Rc Hình 1.5: Các trường hợp sét đánh vào đường dây có treo dây chống sét Trang 10 HVTH:Trần Công Thiện Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS.Xác suất phóng điện - Xác suất hóng điện được ký hiệu là  đ là xác suất xuất hiện dòng điện sét g y nên điện áp do á điện áp khí quyển trên cách điện đường dây hơn giá trị điện áp xung kích của chuỗi cách điện (U50%), được xác định như sa :  pđ  PU  U50%  (1-5) 1.Suất cắt đường dây - Suất cắt đường dây là số lần cắt điện của đường dây có chiều dài 100km trong một (01) năm, ký hiệ là n à được tính như sa : n = N.năm) (1-6) Trong đó: N: số lần sét đánh ào đường dây với chiều dài là 100km.  đ: xác suất hóng điện. : xác suất hình thành hồ quang.Biện pháp bảo vệ chống sét trên đường dây trung áp - Vấn đề bảo vệ sét cho lưới trung áp rất khó khăn do mức cách điện xung kích thấp, không dùng dây chống sét, vì vậy việc sử dụng các chống sét van kết hợp với nối đất các cột điện là một giải pháp nâng cao chỉ tiêu chịu sét cho đường dây trung áp.

- Sa đ y là một số giải pháp để giảm sự hóng điện khi bị sét đánh trên đường dây trung áp.