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.