Luận Văn Thạc Sĩ Về Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Của Sét Trên Đường Dây Phân Phối Điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật điện tính toán điện áp cảm ứng của sét trên đường dây phân phối điện bằng phương pháp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Bảo
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Phan Tú
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Của Sét Trên Đường Dây Phân Phối Điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Mở Đầu

Luận văn này nghiên cứu điện áp cảm ứng do sét gây ra trên đường dây phân phối điện bằng phương pháp đường RBF. Sét được xem là hiện tượng tự nhiên nguy hiểm, có khả năng gây ra các sự cố nghiêm trọng cho hệ thống điện. Đặc biệt, điện áp cảm ứng do sét có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị điện tử và gây mất điện. Để bảo vệ hệ thống điện, việc tính toán chính xác điện áp cảm ứng là rất cần thiết. Luận văn không chỉ đề xuất phương pháp RBF mà còn khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tốc độ kênh sét, biên độ dòng điện và độ cao dây dẫn đến điện áp cảm ứng. Kết quả nghiên cứu sẽ giúp nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng và giảm thiểu thiệt hại do sét.

1.1 Lý Do Chọn Đề Tài

Sét là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự cố trong hệ thống điện, đặc biệt là các đường dây phân phối điện. Việc đánh giá chính xác điện áp cảm ứng từ sét là rất quan trọng trong việc thiết kế và lắp đặt các thiết bị bảo vệ. Luận văn này nhằm mục tiêu tìm hiểu và phát triển phương pháp tính toán hiệu quả để giảm thiểu tác động của sét, từ đó nâng cao độ tin cậy và an toàn cho hệ thống điện.

II. Tổng Quan Các Nghiên Cứu Về Điện Áp Cảm Ứng Sét

Nghiên cứu về điện áp cảm ứng từ sét đã được thực hiện rộng rãi trên toàn thế giới. Các phương pháp tính toán bao gồm phương pháp giải tích và phương pháp số. Các nghiên cứu như của Wagner, Berley, và Norinder đã chỉ ra rằng điện áp cảm ứng chủ yếu xuất phát từ dòng điện kênh sét. Các mô hình như Cooray-Rubinstein và Barbosa-Paulino đã được áp dụng để tính toán điện trường do sét. Luận văn sẽ dựa trên những nghiên cứu này để phát triển phương pháp tính toán mới, nhằm cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong việc xác định điện áp cảm ứng trên đường dây phân phối điện.

2.1 Mô Hình Kênh Sét

Mô hình kênh sét là yếu tố quan trọng trong việc tính toán điện áp cảm ứng. Các loại mô hình như mô hình lưỡng cực và mô hình dòng điện đáy kênh sét đã được phát triển để mô phỏng chính xác hiện tượng này. Việc áp dụng các mô hình này giúp cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán điện áp cảm ứng trên các đường dây phân phối điện. Nghiên cứu này sẽ sử dụng mô hình kênh sét để xác định các thông số cần thiết cho tính toán.

III. Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Trên Đường Dây Phân Phối 110kV

Phương pháp đường RBF được đề xuất trong luận văn này nhằm tính toán điện áp cảm ứng trên đường dây phân phối điện 110kV. Phương pháp này cho phép tính toán nhanh chóng và chính xác hơn so với các phương pháp truyền thống. Kết quả tính toán cho thấy sự tương đồng với kết quả từ chương trình LiOV, đồng thời tiết kiệm được tài nguyên tính toán. Các yếu tố như mặt đất dẫn lý tưởng và không lý tưởng cũng được khảo sát để đánh giá ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng.

3.1 Giới Thiệu Phương Pháp Đường RBF

Phương pháp RBF-FDTD đã được cải tiến thành phương pháp đường RBF, cho phép tính toán điện áp cảm ứng một cách hiệu quả. Phương pháp này sử dụng các hàm bán kính cơ sở để mô phỏng và tính toán điện trường do sét gây ra. Kết quả cho thấy phương pháp này không chỉ nhanh chóng mà còn đảm bảo độ chính xác cao, giúp giảm thiểu rủi ro cho các đường dây phân phối điện.

IV. Khảo Sát Sự Ảnh Hưởng Của Các Thông Số Đến Điện Áp Cảm Ứng

Luận văn cũng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng như tốc độ kênh sét, biên độ dòng điện, và độ cao dây dẫn. Các kết quả cho thấy rằng các yếu tố này có tác động lớn đến giá trị điện áp cảm ứng. Việc hiểu rõ sự ảnh hưởng của các thông số này sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và cải tiến các biện pháp bảo vệ cho hệ thống điện. Kết quả khảo sát sẽ được sử dụng để đề xuất các giải pháp nâng cao độ an toàn cho hệ thống điện.

4.1 Vận Tốc Kênh Sét

Vận tốc kênh sét là yếu tố quan trọng trong việc xác định điện áp cảm ứng. Nghiên cứu cho thấy rằng khi tốc độ kênh sét tăng, điện áp cảm ứng cũng có xu hướng tăng theo. Điều này có thể dẫn đến việc cần thiết phải điều chỉnh các thiết bị bảo vệ để đảm bảo an toàn cho đường dây phân phối điện.

V. Kết Luận Chung Và Hướng Phát Triển Luận Văn

Luận văn đã đề xuất phương pháp đường RBF để tính toán điện áp cảm ứng từ sét trên đường dây phân phối điện. Kết quả cho thấy phương pháp này có khả năng cải thiện độ chính xác và hiệu quả tính toán. Hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các mô hình tính toán và khảo sát sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng. Việc này không chỉ nâng cao chất lượng điện năng mà còn bảo vệ an toàn cho hệ thống điện.

5.1 Hướng Phát Triển Của Luận Văn

Nghiên cứu tiếp theo sẽ mở rộng ra các loại đường dây khác và khảo sát thêm các điều kiện môi trường khác nhau để đánh giá toàn diện hơn về điện áp cảm ứng. Việc áp dụng công nghệ mới và các phương pháp tính toán hiện đại sẽ giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong việc bảo vệ hệ thống điện khỏi tác động của sét.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Chương 2 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN 2.1 Giới thiệu Trong luận văn này, chúng ta sẽ chỉ xem xét điện áp cảm ứng sản sinh bởi trường điện từ của dòng điện kênh sét. Chúng ta cũng không xem xét đến trường hợp sét đánh trục tiếp (khoảng cách nhỏ hơn 30m tới đường dây) bởi vì trường hợp này xảy ra rất ít so với ảnh hưởng của sét đánh gián tiếp (khoảng cách lớn hơn 30m tới đường dây). Những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu đã hướng tới cải thiện những nhận thức về hiện tượng sét và ảnh hưởng của nó tới mạch điện. Đặc biệt, nhiều tích phân và phương pháp số đã được áp dụng để đưa ra những giá trị ước lượng quá điện áp cảm ứng gây ra bởi kênh sét.

Trong tất cả những cách tiếp cận này, điện áp cảm ứng đã được tiến hành tổng quát hóa, cô đọng về hiện tượng sét và những ảnh hưởng của nó, chúng ta có thể chia làm ba bước chính của các phương pháp này như sau: 1. Lựa chọn mô hình sét: Để ước lượng trường điện từ sinh ra từ kênh sét, sự phù hợp theo không gian và thời gian của mô hình cho việc mô tả sự phân bố dòng điện kênh sét và sự lan truyền dòng điện dọc theo kênh sét. Tính trường điện từ: Trường điện từ sinh ra từ dòng điện kênh sét được 6 Nguyễn Hoàng Bảo 7 2270322 tính từ mô hình lựa chọn từ bước trước. Ảnh hưởng của lan truyền trường cũng được xem xét đến.

Lựa chọn mô hình kết nối: Để ước lượng điện áp cảm ứng trên đường dây, mô hình thích hợp là mô hình miêu tả sự phù hợp giữa trường điện từ và đường dây truyền dẫn.1: Minh họa mô hình đường dây, kênh sét dùng để tính điện áp cảm ứng sét [3] Trong Hình 2.1 trình bày sự xả sét là sự dịch chuyển của các điện tích âm từ đám mây xuống đất, dòng điện kênh sét, lan truyền điện trường và từ trường kênh sét. Kênh sét được giả định là thẳng đứng lý tưởng và đây cũng là kênh sét được sử dụng trong luận văn này. Trường điện từ sinh ra từ kênh sét lan truyền tới đường dây dùng mô hình kết nối.2 Mô hình kênh sét 2.1 Các loại mô hình kênh sét Trường điện từ kênh sét được tính từ mô hình dòng điện kênh sét. Bất kỳ mô hình kênh sét nào cũng là một cấu trúc toán học gần đúng, được đưa ra để tái tạo các đặc tính vật lý của sét.

Các điều kiện giả thuyết ban đầu của các mô hình phải phù hợp với các đại lượng đầu vào và đầu ra mong muốn của mô hình. Mô hình kênh sét là công thức toán có khả năng dự báo sự thay đổi theo không gian và thời gian của dòng điện kênh sét; sự thay đổi của tốc độ kênh sét; các đặc tính theo không gian, thời gian của sự phát xạ ánh sáng; các đặc điểm của trường điện từ ở khoảng cách khác nhau và các dấu hiệu của sét. Rakov and Uman [12] đã phân loại mô hình kênh sét thành 04 loại như sau: LVTN CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN Nguyễn Hoàng Bảo 8 2270322 1.

Mô hình khí động học hay mô hình vật lý (Gas dynamic or physical model). Mô hình điện từ (Electromagnetic model). Mô hình mạch phân phối (Distributed-circuit model). Mô hình kỹ thuật (Engineering model) Mô hình khí động học chủ yếu được dùng để mô phỏng các đặc tính vật lý của kênh sét.

Các mô hình khác chủ yếu được dùng để mô phỏng trường điện từ phát sinh từ dòng điện kênh sét. Bởi vì hầu hết các phương pháp dùng để ước lượng điện áp cảm ứng đều dựa trên mô hình kỹ thuật nên trong luận văn này chúng ta sẽ chỉ giới hạn trong phân tích mô hình kỹ thuật kênh sét.2 Mô hình kỹ thuật kênh sét Hình 2.2: Minh họa mô hình kỹ thuật kênh sét [3] Với Hình 2.2, mô hình kỹ thuật cho dòng điện kênh sét là một công thức toán học mô tả rõ đặc tính, sự phân bổ theo không gian và thời gian của dòng điện sét dọc theo đường xả sét i(z ′ , t) hoặc mật độ dòng điện ρ(z ′ , t). Công thức này cũng chỉ rõ vận tốc kênh sét mà thông thường phụ thuộc vào các mô hình đầu vào, sự phân bố dòng điện dọc kênh sét và điều chỉnh các thông số liên quan tới phạm vi nào đó của hiện tượng xả điện tích. Công thức toán học cho mô hình cũng phải phù hợp để có thể so sánh với các kết quả đo được từ thực nghiệm.

Đầu ra của mô hình có thể được dùng để tính trường điện từ. Trong những mô hình này giả định kênh sét là thẳng đứng, dọc và vuông góc với bề mặt đất như trong Hình 2. LVTN CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN Nguyễn Hoàng Bảo 9 2270322 Mô hình kỹ thuật trình bày công thức toán học của dòng điện kênh sét theo không gian và thời gian dọc kênh dẫn sét như sau [7]: i(z ′ , t) = i(0, t − z ′ /vf ).) là hàm Heaviside, vf là tốc độ lan truyền sóng sét đánh ngược, v là vận tốc lan truyền của sóng dòng điện và P (.) là hàm suy giảm dòng điện sét đánh ngược dọc kênh dẫn.

Nhìn chung mô hình kỹ thuật kênh sét được dùng để tính điện áp cảm ứng tiêu biểu gồm những mô hình sau: • Mô hình của Bruce and Gold (BG) [13]. • Mô hình dịch chuyển nguồn dòng (The Travelling current Source model - TCS), trình bày bởi Heidler [14]. • Mô hình đường dây truyền tải (The Transmission Line model - TL), trình bày bởi Uman và McLain [15]. • Mô hình đường dây truyền tải có dòng điện suy hao tuyến tính (The Modified Transmission Line model with linear current decay with height - MTLL), giới thiệu bởi Rakov và Dulzon [16].

• Mô hình đường dây truyền tải có dòng điện suy hao theo hàm mũ (The Modified Transmission Line model with Exponential current decay with height - MTLE), trình bày bởi Nucci và các đồng nghiệp. Tóm tắt 5 mô hình chính trong Bảng 2.1, trong đó hc là độ cao tổng của kênh dẫn, Λ là hằng số suy hao dòng điện, c là vận tốc ánh sáng trong chân không.1: Tóm tắt các mô hình kênh sét [7] Model P (′ z) v BG (Bruce and Golde [13]) 1 ∞ TCS (Heidler) [14] 1 −c TL (Uman and McLain [15]) 1 vf MTLL (Rakov and Dulzon [16]) 1 − z ′ /hc vf MTLE (Nucci et al [17]) e(−z/Λ) vf Hai mô hình đường dây truyền tải MTLL và MTLE được đánh giá là tiến bộ hơn mô hình TL vốn xem dòng điện kênh sét là cố định và không thay đổi. Tuy LVTN CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN Nguyễn Hoàng Bảo 10 2270322 nhiên trong khuôn khổ luận văn này vẫn sử dụng mô hình TL cho các công việc khảo sát tính toán vì tính phổ biến của mô hình này và cũng dễ dàng hơn cho việc tính toán các tham số.3 Mô hình đường dây truyền tải (TL) Mô hình đường dây truyền tải (TL) được đề xuất bởi Uman và MCLain [15], dòng điện được giả định là không thay đổi và không suy hao khi đi lên dọc kênh sét và vận tốc là một hằng số v.

Biểu diễn dòng điện kênh sét tại độ cao bất kỳ z ′ dọc theo kênh sét được viết như sau:  i(0, t − z ′ /v) z ′ ≤ v .4 Dòng điện đáy kênh sét Nguyên lý cơ bản của các mô hình lan truyền dòng điện là giả sử đường dây đồng nhất và không tổn hao, một xung dòng điện được bơm vào đường dây, lan truyền với tốc độ không đổi và không suy hao biên độ. Đường dây không ảnh hưởng đến dòng điện (trừ trường hợp đi vào vùng có vầng quang) mà chỉ là đường dẫn cho xung dòng điện lan truyền từ nơi này đến nơi khác. Kênh sét phóng ngược là một xung dòng điện được tạo ra từ mặt đất bởi đầu kênh sét và lan truyền trên đường dây không tổn hao đến đám mây. Các mô hình sét thuộc nhóm này thường được sử dụng là mô hình đường dây của Uman and McLain (TL – Tranmission Line), mô hình đường dây truyền tải có dòng điện suy hao theo hàm mũ của Nucci và các đồng nghiệp (MTLE - Modified Transmission Line model with Exponential current decay), mô hình đường dây truyền tải có dòng điện suy hao tuyến tính của Rakov và Dulzon (MTLL - Modified Transmission Line model with Linear current decay), mô hình của Bruce và Gold (BG), mô hình có dòng điện suy hao và phân tán trong khi tốc độ kênh sét cũng thay đổi được giới thiệu bởi Cooray và Orville.

Để mô tả mô hình dạng này ta giả sử rằng quá trình sét đánh ngược bao gồm 2 sóng. Sóng thứ nhất di chuyển với tốc độ vf (có thể là một hàm theo độ cao) chuẩn bị kênh vận chuyển điện tích và dòng điện. Sóng thứ hai là sóng dòng điện và điện tích tương ứng di chuyển ngược lên trên theo tốc độ trung bình v (là hàm theo độ cao). Sóng dòng điện không thể xuyên qua dòng plasma đang LVTN CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN Nguyễn Hoàng Bảo 11 2270322 lan truyền (để chuẩn bị cho kênh dẫn) nên nếu vf < v thì dòng điện sẽ bị gián đoạn do bị tập trung ở đầu dòng plasma. Nhưng nếu vf ≥ v thì dòng điện sẽ liên tục và dòng điện tại độ cao z được xác định được xác định theo mô hình TL, MTLE, MTLL, BG theo bảng sau [18]: Với t ≥ z/vf , ta có: Mô hình Biểu thức dòng điện Mật độ dòng điện I(0, t − z/v) TL I(z, t) = I(0, t − z/v) ρL (z, t) = v Z t −z/Λ −z/Λ I(0, t − z/v) e−z/Λ MTLE I(z, t) = e I(0, t − z/v) ρL (z, t) = e + I(0, t − z/v) dt v Λ z/v Z t z z I(0, t − z/v) 1 MTLL I(z, t) = (1 − )I(0, t − z/v) ρL (z, t) = (1 − ) + I(0, t − z/v) dt H H v H z/v I(0, t − z/vf ) BG I(z, t) = I(0, t) ρL (z, t) = vf Với vf = const, H = const, Λ = const Minh họa dòng điện kênh sét theo mô hình cho các lần sét đánh sau (Sub- sequent Stroke – SS): z1 = 1, 500m, z2 = 3, 000m, Λ = 2km, v = 108 m/s, H = 7.