Luận Văn Thạc Sĩ HCMUTE: Phương Pháp Sai Phân Hữu Hạn và Tính Toán Quá Điện Áp Hệ Thống Nối Đất

Khám phá luận văn thạc sĩ HCMUTE về phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất, ứng dụng và kết quả nghiên cứu.

• Tác giả: Lê Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Hồ Văn Nhật Chương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Phương Pháp Sai Phân Hữu Hạn Trong Tính Toán Quá Điện Áp Hệ Thống Nối Đất
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan đề tài
• 1.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Điểm mới của luận văn
• 1.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUÁT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
• 2.1. Quá điện áp khí quyển
• 2.2. Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện của nó
• 2.3. Độ dốc đầu sóng dòng điện sét và xác suất xuất hiện của nó
• 2.4. Cường độ hoạt động của sét
• 2.5. Cực tính của sét
• 2.6. Quá điện áp nội bộ
• 2.6.1. Phân loại quá điện áp nội bộ
• 2.7. Vấn đề nối đất điểm trung tính của hệ thống điện
• 2.8. Quá điện áp cộng hưởng
• 2.9. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống nối đất khi tản dòng điện sét
• 2.10. Khái niệm về nối đất
• 2.11. Điện trở tản xung của dạng nối đất tập trung
• 2.12. Điện trở xung của nối đất kéo dài khi bỏ qua hiện tượng ion hóa trong đất
• 2.13. Điện trở xung của nối đất kéo dài khi có quá trình phóng điện trong đất
• 2.14. Tổng quan về mô hình nối đất và các phương pháp số
• 2.14.1. Sơ lược về hướng tiếp cận mô hình tính toán hệ thống nối đất thu sét
• 2.14.2. Cách tiếp cận mạch điện
• 2.14.3. Cách tiếp cận trường điện từ
• 2.14.4. Cách tiếp cận hỗn hợp
• 2.14.5. Cách tiếp cận đường dây truyền tải
• 2.15. Giới thiệu các phương pháp số phổ biến hiện nay
• 2.15.1. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.15.2. Phương pháp sai phân hữu hạn
• 2.15.3. Hướng nghiên cứu của đề tài
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN
• 3.1. Những khái niệm sử dụng trong phương pháp sai phân hữu hạn
• 3.2. Hệ thống các đại lượng chuẩn Gauss
• 3.3. Điều kiện biên
• 3.4. Hệ phương trình Maxwell
• 3.5. Sóng điện từ lan truyền trong không gian theo thời gian bằng phương pháp sai phân hữu hạn
• 3.6. Sóng điện từ trong không gian tự do với điều kiện biên hấp thụ tuyệt đối
• 3.7. Sóng điện từ trong môi trường điện môi lý tưởng
• 3.8. Sóng điện từ trong môi trường điện môi có tổn hao
• 3.9. Áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn để tính toán quá điện áp trong hệ thống nối đất
• 3.10. Phương pháp sai phân hữu hạn
• 3.11. Mô hình đường dây truyền tải trong hệ thống nối đất
• 3.12. Áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn để tính trên mô hình tương đương của thanh nối đất
• 3.13. Áp dụng phương pháp sai phân vào thanh nối đất
• 3.14. Cách tính điện áp, dòng điện trên thanh dẫn chôn dưới đất khi xét đến hiện tượng ion hóa trong đất
• 3.15. Cách xác định dòng điện tản
• 3.16. Cách tính điện trở tản xung của hệ thống nối đất
• 3.17. Mối liên hệ tại giữa điện áp thanh và điện áp của hệ thống lưới nối đất
• 3.18. Thuật giải tổng quát cho thanh nối đất
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN
• 4.1. Kết quả khảo sát quá điện áp ở các điểm vị trí trên thanh
• 4.2. Kết quả khảo sát thanh l = 100m với các giá trị đầu, giữa và cuối thanh
• 4.3. Kết quả khảo sát quá điện áp trên các thanh nối đất với chiều dài l = 10; 30; 60; 90; 120m
• 4.4. Kết quả khảo sát quá điện áp đầu thanh nối đất khi thay đổi bán kính thanh là r = 15mm; độ chôn sâu d = 0
• 4.5. Kết quả khảo sát quá điện áp trên thanh khi thay đổi giá điện trở suất đất
• 4.6. Kết quả khảo sát quá điện áp tại đầu thanh l = 10m, ρđ = 50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm
• 4.7. Điện áp tại x = 0 khi thanh l = 30m, ρđ = 50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm
• 4.8. Khảo sát quá điện áp tại đầu thanh khi thanh l = 60m, ρđ = 50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm
• 4.9. Điện áp tại x = 0 khi thanh l = 90m, ρđ = 50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm
• 4.10. Điện áp tại x = 0 khi thanh l = 120m, ρđ = 50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ KHẢO SÁT TỔNG TRỞ XUNG KÍCH TRÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN
• 5.1. Kết quả khảo sát tổng trở xung kích cho thanh nối đất với chiều dài l = 10; 30; 60; 90; 120m thay đổi giá trị điện trở suất của thanh
• 5.2. Kết quả khảo sát tổng trở xung kích tại đầu thanh l = 10m, khi ρđ = 50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm
• 5.3. Tổng trở tại x = 0 khi thanh l = 90m, ρđ = 50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm
• 5.4. Kết quả khảo sát tổng trở xung tại đầu thanh l = 120m, ρđ = 50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm
• 5.5. Kết quả khảo sát tổng trở xung cho thanh nối đất ứng với ρđ = 50Ωm khi thay đổi chiều dài l = 10; 30; 60; 90; 120m
• 5.6. Ảnh hưởng của các dạng sóng lên trên tổng trở xung của các thanh nối đất
• 5.7. Dạng sóng i = 1(t) khi t ≥ 0
• 5.8. Tổng hợp tổng trở xung tại các giá trị dòng điện i = (e^{-t/T_1} - e^{-t/T_2}); i = 1(t)
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan đề tài

Hệ thống nối đất đóng vai trò quan trọng trong an toàn điện, bảo vệ con người và thiết bị khỏi các sự cố do quá điện áp. Việc tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất là cần thiết để đảm bảo an toàn. Nhiều phương pháp đã được phát triển, bao gồm phương pháp giải tích và phương pháp số. Trong đó, phương pháp sai phân hữu hạn được lựa chọn vì tính đơn giản và hiệu quả. Quá điện áp có thể xuất hiện từ nhiều nguồn khác nhau như sét, ngắn mạch, và các hiện tượng khác. Để giảm thiểu rủi ro, cần có thiết kế hệ thống nối đất tối ưu, đảm bảo điện trở tản và điện áp lan truyền được kiểm soát. Việc áp dụng các phương pháp số giúp khảo sát sự lan truyền của quá điện áp một cách nhanh chóng và chính xác.

II. Tổng quát về quá điện áp trên hệ thống nối đất

Quá điện áp có thể được phân loại thành nhiều loại, bao gồm quá điện áp khí quyển, quá điện áp nội bộ, và quá điện áp cộng hưởng. Mỗi loại có những đặc điểm và ảnh hưởng khác nhau đến hệ thống nối đất. Quá điện áp khí quyển thường xảy ra do sét, trong khi quá điện áp nội bộ có thể phát sinh từ các hoạt động trong hệ thống điện. Các yếu tố như điện trở tản xung và cấu trúc của hệ thống nối đất cũng ảnh hưởng đến mức độ quá điện áp. Để đảm bảo an toàn, cần phải có các thiết bị bảo vệ và thiết kế hệ thống nối đất hiệu quả, giúp tản dòng điện một cách an toàn.

III. Phương pháp sai phân hữu hạn

Phương pháp sai phân hữu hạn là một trong những phương pháp số phổ biến trong tính toán quá điện áp. Phương pháp này sử dụng các khái niệm cơ bản từ giải tích số để mô phỏng sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian. Các điều kiện biên và hệ phương trình Maxwell được áp dụng để xây dựng mô hình tính toán. Việc áp dụng phương pháp này cho phép tính toán nhanh chóng và chính xác hơn so với các phương pháp khác. Đặc biệt, trong bối cảnh tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất, phương pháp này giúp xác định điện áp và dòng điện tại các điểm khác nhau trên thanh nối đất.

IV. Kết quả tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất bằng phương pháp sai phân hữu hạn

Kết quả tính toán cho thấy rằng phương pháp sai phân hữu hạn mang lại những kết quả đáng tin cậy trong việc xác định quá điện áp trên hệ thống nối đất. Các khảo sát cho thấy điện áp tại các điểm khác nhau trên thanh nối đất có sự khác biệt rõ rệt, phụ thuộc vào chiều dài và điện trở suất của thanh. Việc khảo sát này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hành vi của hệ thống nối đất mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế và cải thiện hệ thống nối đất trong thực tế. Các kết quả này có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế hệ thống nối đất, đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị.

V. Kết quả khảo sát tổng trở xung kích trên hệ thống nối đất bằng phương pháp sai phân hữu hạn

Khảo sát tổng trở xung kích cho thấy rằng tổng trở xung kích của thanh nối đất thay đổi theo chiều dài và điện trở suất của thanh. Các kết quả cho thấy rằng việc thay đổi các thông số ban đầu có ảnh hưởng lớn đến tổng trở xung kích. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc tính toán chính xác các thông số này trong thiết kế hệ thống nối đất. Việc sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn không chỉ giúp tính toán nhanh chóng mà còn cung cấp những thông tin chi tiết về hành vi của hệ thống nối đất dưới các điều kiện khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng quá điện áp trên hệ thống nối đất là một trong những vấn đề quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn vận hành của lưới điện và thiết bị điện. Theo ước tính, quá điện áp do sét đánh có thể lên đến hàng triệu volt, vượt xa mức cách điện của các thiết bị, gây ra hư hỏng nghiêm trọng và nguy hiểm đến tính mạng con người. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng phương pháp sai phân hữu hạn để tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất một cách hiệu quả và tin cậy, từ đó góp phần nâng cao độ an toàn và độ bền của hệ thống điện. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô hình đường dây truyền tải nối đất, khảo sát các thông số như chiều dài thanh nối đất, điện trở suất đất, bán kính thanh nối đất và các dạng sóng dòng sét khác nhau. Thời gian nghiên cứu tập trung vào các hiện tượng quá độ trong hệ thống nối đất, với ứng dụng phần mềm Matlab R2014a để mô phỏng và tính toán. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệ thống nối đất chống quá điện áp, đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà quản lý và kỹ sư điện trong việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiện tượng quá điện áp khí quyển và nội bộ: Quá điện áp khí quyển do sét đánh trực tiếp hoặc cảm ứng trên đường dây tải điện, với các tham số đặc trưng như biên độ dòng sét, độ dốc đầu sóng, thời gian đầu sóng và xác suất xuất hiện. Quá điện áp nội bộ phát sinh do các thao tác đóng cắt, chạm đất hoặc dao động cộng hưởng trong hệ thống điện.

• Mô hình hệ thống nối đất: Bao gồm các loại nối đất làm việc, nối đất an toàn và nối đất chống sét, với các đặc tính điện trở tản xung và điện trở xoay chiều. Mô hình đường dây truyền tải được sử dụng để mô phỏng sự phân bố điện áp và dòng điện trên thanh nối đất.

• Phương pháp số trong tính toán quá độ: Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM) được áp dụng để giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả sự lan truyền sóng điện từ và quá điện áp trong hệ thống nối đất. Phương pháp này đơn giản hơn so với phương pháp phần tử hữu hạn nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và hiệu quả tính toán cao.

Các khái niệm chính bao gồm: điện trở tản xung, tổng trở xung kích, điều kiện biên hấp thụ tuyệt đối, mô hình sóng điện từ lan truyền trong môi trường điện môi có tổn hao.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các số liệu thực nghiệm về dòng sét, điện trở suất đất, kích thước thanh nối đất và các đặc tính vật lý của hệ thống nối đất. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Xây dựng phương trình sai phân hữu hạn mô phỏng sóng điện từ và quá điện áp trên hệ thống nối đất.

• Áp dụng mô hình đường dây truyền tải để mô phỏng thanh nối đất với các tham số chiều dài, bán kính và điện trở suất đất khác nhau.

• Sử dụng phần mềm Matlab R2014a để lập trình và tính toán các bài toán quá độ.

• Khảo sát sự biến đổi quá điện áp và tổng trở xung kích tại các vị trí khác nhau trên thanh nối đất, với các giá trị điện trở suất đất từ 50 đến 500 Ωm, chiều dài thanh từ 10 đến 120 m, và bán kính thanh từ 15 mm trở lên.

• Thời gian nghiên cứu tập trung vào các hiện tượng quá độ trong khoảng thời gian micro giây đến vài chục micro giây, phù hợp với đặc tính dòng sét và quá điện áp.

Cỡ mẫu tính toán bao gồm nhiều trường hợp mô phỏng với các biến đổi tham số nhằm đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố đến quá điện áp và tổng trở xung kích. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng có hệ thống trên các giá trị tham số thực tế phổ biến trong ngành điện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng chiều dài thanh nối đất: Kết quả tính toán cho thấy khi chiều dài thanh nối đất tăng từ 10 m đến 120 m, điện áp tại đầu thanh có xu hướng giảm dần. Ví dụ, với điện trở suất đất 50 Ωm, điện áp đầu thanh giảm khoảng 30% khi chiều dài tăng từ 10 m lên 120 m. Điều này cho thấy chiều dài thanh nối đất càng lớn thì khả năng tản dòng sét càng hiệu quả, giảm thiểu quá điện áp.

2. Ảnh hưởng điện trở suất đất: Khi điện trở suất đất tăng từ 50 Ωm đến 500 Ωm, điện áp quá độ tại đầu thanh nối đất tăng lên đáng kể. Cụ thể, với thanh dài 30 m, điện áp đầu thanh tăng khoảng 60% khi điện trở suất đất tăng từ 50 Ωm lên 500 Ωm. Điều này phản ánh rõ ràng vai trò quan trọng của đặc tính đất trong việc phân tán dòng sét và giảm thiểu quá điện áp.

3. Ảnh hưởng bán kính thanh nối đất: Thay đổi bán kính thanh từ 15 mm trở lên có ảnh hưởng nhỏ đến điện áp quá độ, tuy nhiên bán kính lớn hơn giúp giảm nhẹ điện trở tản xung, góp phần cải thiện hiệu quả tản dòng sét.

4. Tổng trở xung kích và dạng sóng dòng sét: Khảo sát tổng trở xung kích cho thấy tổng trở giảm khi chiều dài thanh tăng và điện trở suất đất giảm. Ngoài ra, các dạng sóng dòng sét khác nhau như sóng vuông, sóng tam giác, hàm mũ được so sánh với dạng sóng chuẩn (hiệu hai hàm mũ), kết quả cho thấy dạng sóng chuẩn cho kết quả tính toán ổn định và phù hợp nhất với thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng trên là do sự phân bố dòng điện và điện áp dọc theo thanh nối đất phụ thuộc vào chiều dài và đặc tính điện trở của đất. Thanh nối đất dài hơn tạo điều kiện cho dòng điện phân tán rộng hơn, giảm điện áp tại điểm đầu thanh. Điện trở suất đất cao làm giảm khả năng dẫn điện, dẫn đến điện áp quá độ tăng cao. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành điện và các báo cáo thực tế tại một số địa phương có đặc tính đất khác nhau.

Việc sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn cho phép mô phỏng chính xác sự lan truyền sóng điện từ và quá điện áp trong hệ thống nối đất, đồng thời đơn giản hơn so với phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống. Các biểu đồ điện áp theo vị trí trên thanh nối đất và tổng trở xung kích theo chiều dài thanh, điện trở suất đất được trình bày rõ ràng, giúp dễ dàng đánh giá và lựa chọn thiết kế hệ thống nối đất tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng chiều dài thanh nối đất: Khuyến nghị thiết kế thanh nối đất có chiều dài tối thiểu từ 60 m trở lên để đảm bảo hiệu quả tản dòng sét và giảm thiểu quá điện áp, đặc biệt ở vùng đất có điện trở suất trung bình đến cao. Thời gian thực hiện: trong các dự án thiết kế và cải tạo hệ thống nối đất.

2. Lựa chọn vị trí có điện trở suất đất thấp: Ưu tiên khảo sát và lựa chọn vị trí có điện trở suất đất thấp (dưới 100 Ωm) để thi công hệ thống nối đất, nhằm giảm điện áp quá độ và tăng độ an toàn. Chủ thể thực hiện: các đơn vị khảo sát địa chất và thiết kế hệ thống điện.

3. Sử dụng thanh nối đất có bán kính phù hợp: Đề xuất sử dụng thanh nối đất có bán kính từ 15 mm trở lên để đảm bảo độ bền cơ học và giảm điện trở tản xung, góp phần nâng cao hiệu quả tản dòng sét. Thời gian thực hiện: trong quá trình lựa chọn vật liệu và thi công.

4. Áp dụng phần mềm mô phỏng sai phân hữu hạn: Khuyến khích các đơn vị thiết kế và vận hành hệ thống điện sử dụng phần mềm mô phỏng dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn để tính toán và đánh giá quá điện áp, giúp đưa ra các giải pháp kỹ thuật chính xác và kịp thời. Chủ thể thực hiện: các phòng kỹ thuật, trung tâm nghiên cứu và đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế hệ thống điện: Giúp hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến quá điện áp và cách tính toán hiệu quả, từ đó thiết kế hệ thống nối đất an toàn và tối ưu.

2. Nhà quản lý và vận hành lưới điện: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá rủi ro quá điện áp và xây dựng kế hoạch bảo trì, nâng cấp hệ thống nối đất.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về ứng dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp, hỗ trợ nghiên cứu và giảng dạy.

4. Các đơn vị khảo sát địa chất và thi công hệ thống nối đất: Giúp lựa chọn vị trí và vật liệu phù hợp dựa trên đặc tính điện trở suất đất và các thông số kỹ thuật liên quan.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp sai phân hữu hạn có ưu điểm gì so với phương pháp phần tử hữu hạn?
   Phương pháp sai phân hữu hạn đơn giản hơn, dễ lập trình và tính toán nhanh hơn, đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác cao trong giải các bài toán quá độ trên hệ thống nối đất.

2. Điện trở suất đất ảnh hưởng như thế nào đến quá điện áp?
   Điện trở suất đất càng cao thì khả năng dẫn dòng sét càng kém, dẫn đến điện áp quá độ tại đầu thanh nối đất tăng lên, làm giảm hiệu quả tản dòng và tăng nguy cơ hư hỏng thiết bị.

3. Chiều dài thanh nối đất nên được thiết kế như thế nào?
   Chiều dài thanh nối đất nên đủ lớn (từ 60 m trở lên) để đảm bảo dòng điện sét được phân tán rộng, giảm điện áp quá độ và tăng độ an toàn cho hệ thống.

4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các hệ thống nối đất khác nhau không?
   Có, phương pháp và kết quả có thể áp dụng cho nhiều loại hệ thống nối đất với các điều kiện đất và thiết kế khác nhau, tuy nhiên cần điều chỉnh tham số phù hợp với từng trường hợp cụ thể.

5. Phần mềm Matlab được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   Matlab được dùng để lập trình mô phỏng phương pháp sai phân hữu hạn, tính toán quá điện áp và tổng trở xung kích trên hệ thống nối đất, giúp phân tích và trực quan hóa kết quả một cách hiệu quả.

Kết luận

• Phương pháp sai phân hữu hạn là công cụ hiệu quả, đơn giản và tin cậy để tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất.
• Chiều dài thanh nối đất và điện trở suất đất là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến điện áp quá độ và tổng trở xung kích.
• Kết quả mô phỏng cho thấy thanh nối đất dài và đất có điện trở suất thấp giúp giảm thiểu quá điện áp, nâng cao an toàn hệ thống.
• Ứng dụng phần mềm Matlab trong mô phỏng giúp tăng tốc độ và độ chính xác của quá trình tính toán.
• Đề xuất áp dụng các giải pháp thiết kế và vận hành dựa trên kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và an toàn của hệ thống nối đất.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu để khảo sát các yếu tố môi trường và thiết bị phức tạp hơn nhằm hoàn thiện mô hình tính toán. Độc giả và các chuyên gia được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng thiết kế và vận hành hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ TRUNG HIẾU PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN TRONG TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG NỐI ĐẤT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 7 0 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ TRUNG HIẾU PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN TRONG TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG NỐI ĐẤT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 Luan van Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: LÊ TRUNG HIẾU - Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17/02/1976 - Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: Giồng Trôm, Bến Tre - Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Trƣờng Cao Đẳng Nghề Trà Vinh Điện thoại cơ quan: - Điện thoại nhà riêng: 0919186867 Fax: - E-mail: lthieu76@yahoo.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính quy - Thời gian đào tạo: 09/1995 – 09/1998 Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Điện khí hóa & Cung cấp điện 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy - Thời gian đào tạo từ 10/2000 đến 10/2002. Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.

Ngành học: Điện Khí Hóa – Cung Cấp Điện. Năm tốt nghiệp: 2003 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Lắp đặt điện, nƣớc công Từ 10/1998 đến 10/2000 Thành phố HCM trình dân dụng Từ 06/2003 đến 09/2004 Công ty Cổ Phần In Bến Tre Bảo trì điện Công ty Cổ Phần Bƣu Chính Từ 09/2004 đến 09/2008 Nhân viên kỹ thuật Viễn Thông Sài Gòn(SPT) Trƣờng Cao Đẳng Nghề Trà Từ 12/2008 đến nay Giáo viên Vinh i Luan van Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 10 năm 2015 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii Luan van Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết xin chân thành kính trọng và biết ơn sâu sắc quý Thầy, Cô giảng viên trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong toàn khóa học. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.

Hồ Văn Nhật Chƣơng, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp và giúp tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn. Xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn ở bên tôi ủng hộ, động viên cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Với thời gian có hạn, việc thực hiện luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến quý báu của quý Thầy, Cô và các bạn để luận văn này hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 Ngƣời thực hiện LÊ TRUNG HIẾU iii Luan van Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất TÓM TẮT Hiện tƣợng quá điện áp đã ảnh hƣởng trực tiếp đến lƣới điện, thiết bị điện trên hệ thống nối đất. Vì vậy để hệ thống nối đất, lƣới, thiết bị điện đƣợc an toàn, bảo đảm tính mạng ngƣời, tài sản, ta cần phải tìm phƣơng pháp tốt nhất để tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất một cách hiệu quả, đáng tin cậy nhất. Có nhiều phƣơng pháp tiếp cận để tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất nhƣ: cách tiếp cận mạch điện, trƣờng điện từ, theo mô hình đƣờng dây truyền tải,…hoặc là dùng các phƣơng pháp số nhƣ phƣơng pháp phần tử hữu hạn, phƣơng pháp sai phân hữu hạn.

Phƣơng pháp phần tử hữu hạn hay các phƣơng pháp tiếp cận để tính toán quá điện áp thì khó thực hiện và phức tạp. Trong luận văn này ngƣời viết sẽ dùng phƣơng pháp sai phân hữu hạn để tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất. Với phƣơng pháp này thì việc thực hiện đơn giản hơn các phƣơng pháp khác và cho ra kết quả tin cậy. Trong nội dung này luận văn đƣợc chia làm 5 chƣơng, bao gồm:  Chƣơng 1: Tổng quan  Chƣơng 2: Tổng quát về quá điện áp trên hệ thống nối đất  Chƣơng 3: Phƣơng pháp sai phân hữu hạn  Chƣơng 4: Kết quả tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất bằng phƣơng pháp sai phân hữu hạn  Chƣơng 5: Kết quả khảo sát tổng trở xung kích trên hệ thống nối đất bằng phƣơng pháp sai phân hữu hạn  Chƣơng 6: Kết luận iv Luan van Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất ABSTRACT Overvoltage phenomenon directly affects the power grid, electrical equipment on the grounding system.

Therefore, in order to be safe for the grounding system, power grid and electrical equipment, ensure the lives and property, we need to find the best method to calculate the voltage on grounding system most effectively and reliably. There are many approaches to calculate the voltage on grounding system such as electrical circuit approach, electromagnetic fields, transmission line model. or using the method of finite element method, finite difference method. The finite element method or approach to calculate the voltage is difficult and complex.

In this thesis, the writer will use finite difference method to calculate the voltage of the grounding system. With this method, the implementation is simpler than other methods and produces reliable results. In this context the thesis is divided into five chapters, including: • Chapter 1: Overview • Chapter 2: Overview of the system voltage on grounding system • Chapter 3: Finite difference method • Chapter 4: Calculation results of overvoltage on grounding system using finite difference method • Chapter 5: Results of the survey total return shock on grounding system with finite difference method • Chapter 6: Conclusion v Luan van Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất MỤC LỤC Chƣơng 1. Tổng quan đề tài.

Nội dung nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Điểm mới của luận văn. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.

3 TỔNG QUÁT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN. 5 HỆ THỐNG NỐI ĐẤT. Quá điện áp khí quyển. Biên độ d ng s t và xác suất xuất hiện của nó.

Độ dốc đầu sóng d ng điện s t và xác suất xuất hiện của nó .3 Cƣờng độ hoạt động của s t .4 Cực tính của s t. Quá điện áp nội bộ. Phân loại quá điện áp nội bộ .2 Vấn đề nối đất điểm trung tính của hệ thống điện. Quá điện áp cộng hƣởng.

Các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống nối đất khi tản d ng điện sét. Khái niệm về nối đất. Điện trở tản xung của dạng nối đất tập trung. Điện trở xung của nối đất kéo dài khi bỏ qua hiện tƣợng ion hóa trong đất.

Điện trở xung của nối đất k o dài khi có quá trình phóng điện trong đất. Tổng quan về mô hình nối đất và các phƣơng pháp số. Sơ lƣợc về hƣớng tiếp cận mô hình tính toán hệ thống nối đất thu sét. Cách tiếp cận mạch điện.

Cách tiếp cận trƣờng điện từ. Cách tiếp cận hỗn hợp. Cách tiếp cận đƣờng dây truyền tải. 24 vi Luan van Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất 2.

Giới thiệu các phƣơng pháp số phổ biến hiện nay. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Phƣơng pháp sai phân hữu hạn. Hƣớng nghiên cứu của đề tài.

29 PHƢƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN. Những khái niệm sử dụng trong phuơng pháp sai phân hữu hạn. Hệ thống các đại lƣợng chuẩn Gauss. Điều kiện biên.

Hệ phƣơng trình Maxwell. Sóng điện từ lan truyền trong không gian theo thời gian bằng phƣơng pháp sai phân hữu hạn. Sóng điện từ trong không gian tự do với điều kiện biên hấp thụ tuyệt đối. Sóng điện từ trong môi trƣờng điện môi lý tƣởng.

Sóng điện từ trong môi trƣờng điện môi có tổn hao. Áp dụng phƣơng pháp sai phân hữu hạn để tính toán quá điện áp trong hệ thống nối đất. Phƣơng pháp sai phân hữu hạn. Mô hình đƣờng dây truyền tải trong hệ thống nối đất.

Áp dụng phƣơng pháp sai hữu hạn để tính trên mô hình tƣơng đƣơng của thanh nối đất. Áp dụng phƣơng pháp sai phân vào thanh nối đất. Cách tính điện áp, d ng điện trên thanh dẫn chôn dƣới đất khi x t đến hiện tƣợng ion hóa trong đất. Cách xác định d ng điện tản.

Cách tính điện trở tản xung của hệ thống nối đất. Mối liên hệ tại giữa điện áp thanh và điện áp của hệ thống lƣới nối đất. Thuật giải tổng quát cho thanh nối đất. 44 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN.

44 HỆ THỐNG NỐI ĐẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP. 44 SAI PHÂN HỮU HẠN. 44 vii Luan van Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất 4. Kết quả khảo sát quá điện áp ở các điểm vị trí trên thanh.

Kết quả khảo sát thanh l = 100m với các giá trị đầu, giữa và cuối thanh. Kết quả khảo sát quá điện áp trên các thanh nối đất với chiều dài l =10; 30; 60; 90; 120m. Kết quả khảo sát quá điện áp đầu thanh nối đất khi thay đổi bán kính thanh là r =15mm; độ chôn sâu d=0. Kết quả khảo sát quá điện áp trên thanh khi thay đổi giá điện trở suất đất.

Kết quả khảo sát quá điện áp tại đầu thanh l = 10m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm. Điện áp tại x=0 khi thanh l = 30m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm. Khảo sát quá điện áp tại đầu thanh khi thanh l = 60m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm. Điện áp tại x=0 khi thanh l = 90m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm.

Điện áp tại x=0 khi thanh l = 120m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm. 77 KẾT QUẢ KHẢO SÁT TỔNG TRỞ XUNG KÍCH TRÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN .