Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng sét là một trong những tác nhân tự nhiên gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống điện, đặc biệt là các đường dây phân phối điện trung và hạ áp. Theo ước tính, sét đánh gần (gián tiếp) xảy ra phổ biến hơn so với sét đánh trực tiếp, gây ra các hiện tượng quá áp đột ngột, làm mất điện, hư hỏng thiết bị và gây nhiễu loạn hệ thống. Việc đánh giá chính xác điện áp cảm ứng do sét gây ra trên đường dây phân phối là yêu cầu cấp thiết nhằm lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp, giảm thiểu rủi ro và nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu tính toán điện áp cảm ứng của sét trên đường dây phân phối điện 110kV bằng phương pháp đường Radial Basis Function (RBF). Mục tiêu chính là đề xuất phương pháp đường RBF và phương pháp tìm hệ số hình dạng tối ưu c nhằm cải tiến bài toán tính toán điện áp cảm ứng, giúp tiết kiệm thời gian và tài nguyên tính toán nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Nghiên cứu khảo sát điện áp cảm ứng trên các cấu hình đường dây 1 pha, 3 pha và đường dây thực tế, trong điều kiện mặt đất dẫn lý tưởng và mặt đất có tổn hao.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam, với dữ liệu và mô hình hóa dựa trên các thông số thực tế của đường dây phân phối 110kV. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện, giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra và góp phần phát triển các giải pháp bảo vệ hệ thống điện phân phối hiệu quả hơn.

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:

  • Mô hình kỹ thuật kênh sét (Transmission Line Model - TL): Mô hình này mô tả dòng điện kênh sét lan truyền dọc theo kênh sét với vận tốc không đổi, được sử dụng để tính toán dòng điện kênh sét theo không gian và thời gian. Đây là mô hình phổ biến và phù hợp cho việc khảo sát điện áp cảm ứng sét trên đường dây phân phối.

  • Công thức tính trường điện từ kênh sét: Sử dụng công thức của Barbosa và Paulino cùng công thức Cooray-Rubinstein trong miền thời gian để tính toán điện trường ngang kênh sét trên mặt đất dẫn không lý tưởng. Khi mặt đất dẫn lý tưởng, sử dụng công thức Rusck kết hợp với tích phân Duhamel để tính toán trường điện từ.

  • Mô hình liên kết trường điện từ với đường dây phân phối (mô hình Agrawal): Mô hình này liên kết trường điện từ sinh ra từ dòng điện kênh sét với điện áp cảm ứng trên đường dây phân phối, dựa trên các phương trình Maxwell và các xấp xỉ của đường dây truyền dẫn.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp cảm ứng sét, dòng điện đáy kênh sét, điện trường ngang kênh sét, hệ số hình dạng tối ưu c trong phương pháp RBF, và hiệu ứng vầng quang (corona).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình toán học và dữ liệu thực tế của đường dây phân phối 110kV tại Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phương pháp đường RBF: Được đề xuất cải tiến từ phương pháp RBF-FDTD, phương pháp này chỉ yêu cầu tìm một hệ số hình dạng tối ưu c cho miền không gian, giúp giảm thiểu đáng kể thời gian và tài nguyên tính toán. Bốn hàm bán kính cơ sở được khảo sát gồm Gaussians (GA), Inverse Multiquadrics (IMQ), Inverse Quadrics (IQ) và Multiquadrics (MQ).

  • Phân tích số: Sử dụng các phương trình liên kết trường điện từ với đường dây phân phối, kết hợp với phương pháp số để giải các phương trình vi phân riêng phần mô tả điện áp cảm ứng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2023, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, triển khai phương pháp tính toán và phân tích kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được áp dụng cho các cấu hình đường dây 1 pha, 3 pha và đường dây thực tế dài 1 km, với các điều kiện mặt đất khác nhau nhằm khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến điện áp cảm ứng.

Phương pháp phân tích tập trung vào so sánh kết quả tính toán điện áp cảm ứng bằng phương pháp đường RBF với kết quả từ chương trình LiOV và các phương pháp tính toán khác để đánh giá độ chính xác và hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của phương pháp đường RBF: Kết quả tính toán điện áp cảm ứng trên mô hình mạch điện đơn giản và đường dây 1 pha cho thấy phương pháp đường RBF đạt độ chính xác cao, sai số RMS nhỏ hơn 2% so với kết quả tham khảo từ chương trình LiOV và phương pháp RBF-FDTD truyền thống. Thời gian tính toán giảm khoảng 30-40%, giúp tiết kiệm tài nguyên tính toán đáng kể.

  2. Ảnh hưởng của hệ số hình dạng c: Phương pháp đề xuất tìm hệ số hình dạng tối ưu c không cần lời giải chính xác làm tham chiếu, giúp tăng khả năng ứng dụng trong các bài toán thực tế. Hệ số c tối ưu được xác định dựa trên sai số cục bộ giữa đạo hàm gần đúng và đạo hàm thực, đảm bảo độ chính xác của lời giải.

  3. Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng:

    • Tốc độ kênh sét tăng từ khoảng 1.0 × 10^8 m/s đến 1.5 × 10^8 m/s làm điện áp cảm ứng tăng khoảng 15% tại vị trí x = 0 m.
    • Biên độ dòng điện đáy kênh sét tăng từ 10 kA lên 30 kA làm điện áp cảm ứng tăng gần 3 lần.
    • Độ cao dây dẫn tăng từ 6 m lên 12 m làm giảm điện áp cảm ứng khoảng 20%.
    • Hiệu ứng vầng quang làm giảm điện áp cảm ứng khoảng 10-12% tùy thuộc vào điều kiện mặt đất.

  4. So sánh kết quả với các phương pháp khác: Kết quả tính toán điện áp cảm ứng bằng phương pháp đường RBF tương đồng với kết quả từ phương pháp RBF-FDTD và chương trình LiOV, đồng thời vượt trội về mặt thời gian và tài nguyên tính toán.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp phương pháp đường RBF đạt hiệu quả cao là do việc giảm số lượng hệ số hình dạng cần tìm và áp dụng hàm bán kính cơ sở phù hợp, giúp giảm sai số nội suy và tăng tốc độ hội tụ của phương pháp số. Việc sử dụng công thức Barbosa-Paulino và Cooray-Rubinstein trong miền thời gian cho phép tính toán điện trường ngang kênh sét chính xác trong điều kiện mặt đất dẫn không lý tưởng, góp phần nâng cao độ tin cậy của mô hình.

So với các nghiên cứu trước đây, phương pháp đường RBF không chỉ giữ được độ chính xác mà còn giảm đáng kể thời gian tính toán, phù hợp với các bài toán thực tế có quy mô lớn và phức tạp. Kết quả khảo sát các tham số ảnh hưởng cũng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và trong nước, khẳng định tính khả thi và ứng dụng rộng rãi của phương pháp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh điện áp cảm ứng theo thời gian tại các vị trí khác nhau trên đường dây, bảng tổng hợp sai số và thời gian tính toán giữa các phương pháp, cũng như biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của các tham số như tốc độ kênh sét, biên độ dòng điện đáy, độ cao dây dẫn và hiệu ứng vầng quang.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp đường RBF trong thiết kế bảo vệ lưới điện: Khuyến nghị các đơn vị quản lý và vận hành hệ thống điện áp dụng phương pháp này để tính toán điện áp cảm ứng sét, từ đó lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp, giảm thiểu rủi ro mất điện và hư hỏng thiết bị. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các phòng nghiên cứu và trung tâm đào tạo kỹ thuật điện chủ trì.

  2. Phát triển phần mềm tính toán điện áp cảm ứng tích hợp phương pháp đường RBF: Đề xuất xây dựng phần mềm chuyên dụng hỗ trợ tính toán nhanh, chính xác điện áp cảm ứng sét trên đường dây phân phối, giúp kỹ sư và nhà quản lý dễ dàng áp dụng. Thời gian phát triển dự kiến 12-18 tháng, phối hợp giữa các trường đại học và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Khảo sát mở rộng các yếu tố ảnh hưởng khác: Nghiên cứu tiếp tục mở rộng khảo sát ảnh hưởng của cấu hình cột, nối đất chân cột, và các thiết bị chống sét trên đường dây để hoàn thiện mô hình tính toán điện áp cảm ứng. Thời gian thực hiện 12 tháng, do các viện nghiên cứu điện lực đảm nhiệm.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo về phương pháp tính toán điện áp cảm ứng sét và ứng dụng phương pháp đường RBF cho kỹ sư điện và cán bộ quản lý lưới điện. Thời gian triển khai liên tục hàng năm, do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Giúp hiểu rõ về phương pháp tính toán điện áp cảm ứng sét, từ đó áp dụng trong thiết kế và vận hành hệ thống điện phân phối, nâng cao độ tin cậy và an toàn.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình kênh sét, phương pháp số RBF và các công thức tính trường điện từ, hỗ trợ phát triển nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực điện lực.

  3. Các đơn vị tư vấn và thiết kế hệ thống điện: Hỗ trợ trong việc lựa chọn phương pháp tính toán chính xác, tiết kiệm thời gian và chi phí khi thiết kế các giải pháp bảo vệ chống sét cho lưới điện phân phối.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về bảo vệ chống sét và nâng cao chất lượng điện năng, góp phần phát triển bền vững ngành điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp đường RBF là gì và có ưu điểm gì so với các phương pháp truyền thống?
    Phương pháp đường RBF là một kỹ thuật nội suy số dựa trên hàm bán kính cơ sở, giúp giải các phương trình vi phân riêng phần mà không cần lưới cố định. Ưu điểm là giảm thiểu sai số, tiết kiệm thời gian và tài nguyên tính toán so với phương pháp FDTD truyền thống, đồng thời không cần lời giải chính xác làm tham chiếu để tìm hệ số hình dạng tối ưu.

  2. Tại sao chỉ tập trung nghiên cứu sét đánh gián tiếp mà không xét sét đánh trực tiếp?
    Sét đánh gián tiếp xảy ra phổ biến hơn trên hệ thống lưới điện phân phối do chiều cao dây dẫn thấp hơn các cấu trúc xung quanh. Sét đánh trực tiếp ít xảy ra và có đặc điểm khác biệt về tác động, do đó nghiên cứu tập trung vào sét đánh gián tiếp để giải quyết vấn đề phổ biến và thực tế hơn.

  3. Các công thức Barbosa-Paulino và Cooray-Rubinstein có vai trò gì trong nghiên cứu?
    Hai công thức này cung cấp lời giải gần đúng và hiệu quả để tính toán điện trường ngang kênh sét trên mặt đất dẫn không lý tưởng trong miền thời gian, giúp mô hình hóa chính xác trường điện từ gây ra điện áp cảm ứng trên đường dây phân phối.

  4. Phương pháp tìm hệ số hình dạng tối ưu c được thực hiện như thế nào khi không có lời giải chính xác?
    Phương pháp dựa trên sai số cục bộ giữa đạo hàm gần đúng tính bằng RBF và đạo hàm thực của hàm số, sử dụng khai triển Taylor và các xấp xỉ đạo hàm bậc cao để xác định hệ số c tối ưu mà không cần lời giải chính xác làm tham chiếu.

  5. Ảnh hưởng của các tham số như tốc độ kênh sét, biên độ dòng điện đáy, độ cao dây dẫn và hiệu ứng vầng quang đến điện áp cảm ứng là gì?
    Tốc độ kênh sét và biên độ dòng điện đáy tăng làm điện áp cảm ứng tăng đáng kể; độ cao dây dẫn tăng làm giảm điện áp cảm ứng; hiệu ứng vầng quang làm giảm điện áp cảm ứng do sự phân tán điện trường. Việc hiểu rõ các ảnh hưởng này giúp thiết kế hệ thống bảo vệ hiệu quả hơn.

Kết luận

  • Đã đề xuất thành công phương pháp đường RBF và phương pháp tìm hệ số hình dạng tối ưu c, giúp cải tiến tính toán điện áp cảm ứng sét trên đường dây phân phối với độ chính xác cao và tiết kiệm tài nguyên tính toán.
  • Kết quả tính toán phù hợp với các phương pháp và phần mềm tham khảo, đồng thời khảo sát chi tiết ảnh hưởng của các tham số quan trọng đến điện áp cảm ứng.
  • Phương pháp có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và vận hành hệ thống điện phân phối, góp phần nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm xây dựng phần mềm chuyên dụng, mở rộng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và đào tạo chuyên môn cho cán bộ kỹ thuật.
  • Khuyến nghị các đơn vị liên quan áp dụng phương pháp trong thực tế và tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện mô hình.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên triển khai áp dụng phương pháp đường RBF trong các dự án thực tế, đồng thời phối hợp phát triển phần mềm hỗ trợ tính toán để nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong bảo vệ hệ thống điện phân phối.