Luận Văn Thạc Sĩ Về Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Sét Trên Đường Dây Cao Áp Sử Dụng Phương Pháp RBFFDTTD

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện áp dụng phương pháp rbffdtd tính toán điện áp cảm ứng sét của đường, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Trần Vinh Khoa
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Phan Tú
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Sét Trên Đường Dây Cao Áp Bằng Phương Pháp RBF-FDTD
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài
• 1.3. Phương pháp thực hiện
• 1.4. Điểm mới của đề tài
• 1.5. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ KÊNH SÉT
• 2.1. Khảo sát các mô hình dòng sét
• 2.1.1. Dòng điện tại đáy kênh sét
• 2.1.2. Mô hình đường dây truyền tải (TL)
• 2.1.3. Mô hình MTLL
• 2.1.4. Mô hình MTLE
• 2.1.5. Mô hình Diendorfer – Uman
• 2.1.6. So sánh các mô hình dòng sét
• 2.2. Trường điện từ của kênh sét
• 2.2.1. Lý thuyết tính toán trường điện từ kênh sét
• 2.2.2. Tính toán điện trường dọc của kênh sét
• 2.2.2.1. Điện trường dọc tại khoảng cách gần và xa kênh sét
• 2.2.2.2. Điện trường dọc tại khoảng cách rất gần kênh sét
• 2.2.3. Tính toán điện trường ngang của kênh sét
• 2.2.3.1. Trường hợp mặt đất dẫn điện lý tưởng
• 2.2.3.2. Trường hợp mặt đất có tổn hao
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP FDTD VÀ RBF-FDTD
• 3.1. Giới thiệu về phương pháp FDTD
• 3.1.1. Sơ lược về FDTD
• 3.1.2. Các công thức sai phân trong miền thời gian
• 3.2. Giới thiệu về phương pháp RBF-FDTD
• 3.2.1. Sơ lược về RBF-FDTD
• 3.2.2. Các công thức RBF-FDTD trong miền thời gian
• 3.3. So sánh giữa FDTD và RBF-FDTD
• 3.4. Khảo sát sự thay đổi của hệ số hình dạng c
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI BẰNG PHƯƠNG PHÁP RBF-FDTD
• 4.1. Giới thiệu về bài toán điện áp cảm ứng sét
• 4.1.1. Đường dây ba pha
• 4.2. Tính toán điện áp cảm ứng sét của đường dây đơn bằng phương pháp RBF-FDTD
• 4.2.1. Phương pháp RBF-FDTD
• 4.2.2. Kết quả mô phỏng
• 4.3. So sánh kết quả tính toán điện áp cảm ứng sét của đường dây đơn với LIOV và đánh giá sai số giữa các phương pháp (MQ, IMQ, GA, FDTD)
• 4.3.1. Thuật toán ngẫu nhiên xác định thông số hình dạng tối ưu
• 4.3.2. So sánh kết quả tính toán với LIOV và đánh giá sai số
• 4.4. Tính toán điện áp cảm ứng sét của đường dây ba pha bằng phương pháp RBF-FDTD
• 4.4.1. Phương pháp RBF-FDTD
• 4.4.2. Kết quả mô phỏng
• 4.5. Tính toán điện áp cảm ứng sét của một đường dây ba pha thực tế
• 5. CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐẾN ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG
• 5.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của vận tốc và biên độ dòng kênh sét đến điện áp cảm ứng
• 5.1.1. Sự ảnh hưởng của vận tốc kênh sét
• 5.1.2. Sự ảnh hưởng của biên độ dòng điện kênh sét
• 5.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của vầng quang
• 5.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của dòng về trong đất
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Sét

Điện áp cảm ứng sét là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực điện lực, đặc biệt là đối với các đường dây cao áp. Khi sét đánh gần, trường điện từ sinh ra có thể gây ra điện áp cảm ứng lớn, ảnh hưởng đến sự an toàn và hoạt động của hệ thống điện. Việc tính toán chính xác điện áp cảm ứng này là cần thiết để bảo vệ thiết bị và đảm bảo sự ổn định của hệ thống.

1.1. Khái Niệm Về Điện Áp Cảm Ứng

Điện áp cảm ứng là điện áp sinh ra do sự thay đổi của trường điện từ xung quanh. Khi sét đánh, dòng điện sét tạo ra một trường điện từ mạnh, gây ra điện áp cảm ứng trên các đường dây cao áp.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng

Tính toán điện áp cảm ứng giúp xác định mức độ an toàn cho các thiết bị điện. Việc này giúp ngăn ngừa hư hỏng do quá điện áp, từ đó bảo vệ hệ thống điện và giảm thiểu thiệt hại.

II. Thách Thức Trong Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Sét

Tính toán điện áp cảm ứng sét gặp nhiều thách thức do sự phức tạp của các yếu tố ảnh hưởng như mô hình dòng sét, điều kiện môi trường và cấu trúc đường dây. Những yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng để có kết quả chính xác.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Điện Áp Cảm Ứng

Các yếu tố như khoảng cách từ điểm sét đến đường dây, cấu trúc của đường dây và điều kiện thời tiết đều ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Mô Hình Hóa Dòng Sét

Mô hình hóa dòng sét là một thách thức lớn. Các mô hình hiện có thường không đủ chính xác để dự đoán điện áp cảm ứng trong mọi tình huống, do đó cần có các phương pháp mới để cải thiện độ chính xác.

III. Phương Pháp RBFFDTTD Trong Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng

Phương pháp RBF-FDTD (Radial Basis Function - Finite Difference Time Domain) là một trong những phương pháp tiên tiến được sử dụng để tính toán điện áp cảm ứng sét. Phương pháp này kết hợp giữa mô hình sai phân hữu hạn và hàm bán kính cơ sở, giúp cải thiện độ chính xác trong tính toán.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Của Phương Pháp RBF FDTD

Phương pháp RBF-FDTD sử dụng hàm bán kính cơ sở để mô hình hóa trường điện từ, từ đó tính toán điện áp cảm ứng một cách chính xác hơn so với các phương pháp truyền thống.

3.2. Ưu Điểm Của Phương Pháp RBF FDTD

Phương pháp này cho phép tính toán nhanh chóng và chính xác, đồng thời có khả năng xử lý các mô hình phức tạp mà các phương pháp khác không thể thực hiện được.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phương Pháp RBF FDTD

Phương pháp RBF-FDTD đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu và dự án thực tế. Kết quả cho thấy phương pháp này không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu thời gian tính toán.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu Từ Các Dự Án Thực Tế

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp RBF-FDTD cho kết quả tốt hơn so với các phương pháp truyền thống như FDTD và LIOV, đặc biệt trong các tình huống phức tạp.

4.2. Ứng Dụng Trong Thiết Kế Hệ Thống Điện

Phương pháp này có thể được sử dụng để thiết kế các hệ thống điện an toàn hơn, giúp giảm thiểu rủi ro do điện áp cảm ứng sét gây ra.

V. Kết Luận Về Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Sét

Tính toán điện áp cảm ứng sét là một lĩnh vực quan trọng trong ngành điện lực. Phương pháp RBF-FDTD đã chứng minh được hiệu quả và tiềm năng trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến điện áp cảm ứng.

5.1. Tóm Tắt Những Điểm Chính

Phương pháp RBF-FDTD mang lại nhiều lợi ích trong việc tính toán điện áp cảm ứng, giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong thiết kế hệ thống điện.

5.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng của phương pháp RBF-FDTD trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá điện áp cảm ứng do sét đánh lân cận là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra sự cố phóng điện cách điện, ngắn mạch và gián đoạn cung cấp điện trên các hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối. Theo các số liệu đo đạc thực nghiệm của Krider và Guo, năng lượng bức xạ điện từ sinh ra từ xung sét phóng điện đầu tiên có thể đạt tới mức 2x10^10 W, trong khi các xung phóng điện kế tiếp duy trì ở mức xấp xỉ 3x10^9 W. Khi kênh sét phóng điện xuống đất gần đường dây, trường điện từ bức xạ cực mạnh này sẽ cảm ứng trực tiếp lên các dây dẫn, tạo nên sóng quá điện áp lan truyền với biên độ có thể vượt quá mức chịu đựng cách điện cơ bản của đường dây phân phối từ 22 kV đến 110 kV.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: nâng cao độ chính xác và hiệu quả tính toán biên độ cũng như dạng sóng điện áp cảm ứng sét trên đường dây cao áp và phân phối trên không. Luận văn đặt ra mục tiêu phát triển và hoàn thiện phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian kết hợp hàm bán kính cơ sở (RBF-FDTD), đồng thời tối ưu hóa thông số hình dạng c để vượt qua các hạn chế về sai số phân tán số của phương pháp sai phân truyền thống.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện toàn diện trong giai đoạn từ tháng 08 năm 2013 đến tháng 06 năm 2014 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Các mô hình khảo sát bao gồm đường dây một pha và ba pha tiêu chuẩn đặt trong không gian đa chiều, cùng trường hợp kiểm chứng thực tế trên tuyến đường dây 173 Đa Nhim – 171 Hạ Sông Pha. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm thiểu sai số tính toán quá điện áp từ 15% đến 25% so với phương pháp FDTD cổ điển, cung cấp công cụ tính toán tin cậy phục vụ công tác thiết kế cách điện và phối hợp bảo vệ chống sét cho hệ thống điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng hệ phương trình vi phân điện từ trường Maxwell kết hợp lý thuyết đường dây truyền tải đa vật dẫn của Agrawal để phân tích sự tương tác giữa trường điện từ ngoài và dây dẫn. Mô hình trường điện từ kênh sét được khảo sát toàn diện qua 4 mô hình dòng sét kinh điển: mô hình Đường dây truyền tải (TL), mô hình suy giảm tuyến tính (MTLL), mô hình suy giảm theo hàm mũ (MTLE) và mô hình Diendorfer – Uman (DU). Trường điện từ tổng hợp được tách thành hai thành phần chính: điện trường dọc sinh ra điện áp tới và điện trường ngang sinh ra điện áp nhiễu. Trường hợp mặt đất có tổn hao hữu hạn được mô hình hóa chính xác thông qua công thức Cooray – Rubinstein.

Khung lý thuyết tính toán số tích hợp 3 khái niệm nền tảng:

• Phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) dựa trên lưới Yee để rời rạc hóa các phương trình sóng.
• Hàm bán kính cơ sở (RBF) với ba dạng hàm chính: Multiquadrics (MQ), Inverse Multiquadrics (IMQ) và Gaussians (GA).
• Hệ số hình dạng c (shape parameter), đại lượng quyết định độ phẳng và tính chính xác của phép xấp xỉ không gian trong phương pháp không lưới (Mesh-free).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng thông số dòng sét phóng ngược ghi nhận từ Trung tâm Không gian Kennedy của NASA với biên độ đỉnh dòng điện phóng thứ nhất đạt I01 = 9,9 kA và dòng điện phóng thứ hai đạt I02 = 7,5 kA, thời gian đầu sóng tăng trưởng cực nhanh trong khoảng 0,072 microgiây. Dữ liệu chuẩn đối sánh được trích xuất từ phần mềm chuyên dụng LIOV (Lightning Induced Overvoltage) và các công bố quốc tế uy tín trên IEEE của nhóm tác giả Rachidi và Nucci.

Phương pháp phân tích số sử dụng mô hình không gian 1 chiều và 2 chiều với cỡ mẫu tính toán gồm 500 đến 1000 phần tử nút không gian được chia đều với bước lưới Delta x = 5 m đến 10 m. Bước thời gian lấy mẫu Delta t được thiết lập nghiêm ngặt theo điều kiện ổn định Courant: Delta t <= Delta x / (c * sqrt(n)), với c = 3x10^8 m/s là vận tốc ánh sáng và n là số chiều không gian, đảm bảo bước thời gian luôn nhỏ hơn 1,67x10^-8 giây để triệt tiêu hoàn toàn sự mất ổn định số. Phương pháp RBF-FDTD được lựa chọn nhờ khả năng nội suy mượt mà các đạo hàm không gian bậc cao, giúp triệt tiêu hiện tượng méo dạng sóng quá điện áp khi lan truyền dọc theo chiều dài đường dây. Toàn bộ quy trình mô phỏng và thuật toán tối ưu hóa thông số c ngẫu nhiên được lập trình thực hiện xuyên suốt timeline 10 tháng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã chứng minh tính ưu việt vượt trội của thuật toán RBF-FDTD thông qua các kết quả định lượng cụ thể:

• Độ chính xác xấp xỉ đạo hàm: Phương pháp RBF-FDTD kết hợp hàm Inverse Multiquadrics (IMQ) cho kết quả tiệm cận tốt nhất với phần mềm chuẩn LIOV, giúp giảm sai số biên độ đỉnh điện áp cảm ứng từ 8,4% của phương pháp FDTD truyền thống xuống còn dưới 2,1%, tương đương mức cải thiện độ chính xác hơn 75%.
• Quy luật biến thiên của thông số c: Khi giá trị thông số hình dạng c tiến dần ra vô cùng, hệ số sai phân kx1 của RBF-FDTD hội tụ chính xác về giá trị sai phân trung tâm 1/(2*Delta x) của FDTD cổ điển. Tuy nhiên, tại khoảng giá trị c tối ưu được xác định bởi thuật toán ngẫu nhiên, sai số tính toán đạt cực tiểu.
• Ảnh hưởng của độ dẫn điện mặt đất: Khi điện trở suất đất tăng từ trường hợp đất dẫn điện lý tưởng sang đất có tổn hao với độ dẫn điện 0,01 S/m đến 0,001 S/m, biên độ điện trường ngang tăng lên đáng kể, dẫn đến điện áp cảm ứng cực đại tại khoảng cách r = 100 m đến 500 m tăng từ 18% đến 32% và xuất hiện hiện tượng đảo cực tính ở đuôi sóng.
• Hiệu quả bảo vệ của dây chống sét trên đường dây ba pha: Mô phỏng trên tuyến 173 Đa Nhim – 171 Hạ Sông Pha tại vị trí x = 500 m cho thấy, việc bố trí dây chống sét treo phía trên giúp cảm ứng ngược một điện áp trái dấu, làm giảm điện áp cảm ứng tổng trên các dây pha từ 42% đến 48% đối với cả cấu hình bố trí dây thẳng đứng và nằm ngang.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội của phương pháp RBF-FDTD là do các hàm cơ sở như Multiquadrics và Inverse Multiquadrics có tính chất trơn cục bộ, cho phép xấp xỉ gradient điện trường biến thiên cực nhanh tại đầu sóng sét mà không đòi hỏi phải chia lưới không gian quá mịn như FDTD. Khi so sánh với các công bố của Rachidi trên tạp chí IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, dạng sóng điện áp tính toán bởi RBF-FDTD hoàn toàn trùng khớp cả về thời gian đạt đỉnh (khoảng 1,5 đến 2,0 microgiây) và độ dốc sườn sóng.

Trong thực tế phân tích kỹ thuật, các dữ liệu này được thể hiện trực quan nhất thông qua đồ thị 2D biểu diễn dạng sóng điện áp theo thời gian tại các vị trí quan sát x = 0 m, 250 m, 500 m và 1000 m, kết hợp cùng bảng thống kê so sánh sai số tương đối giữa bốn biến thể thuật toán (MQ, IMQ, GA và FDTD) đối chiếu với LIOV. Kết quả khẳng định RBF-FDTD là công cụ toán học mạnh mẽ, giải quyết triệt để sự đánh đổi giữa khối lượng bộ nhớ tính toán và độ chính xác mô phỏng trong các bài toán quá độ điện từ trường.

Đề xuất và khuyến nghị

• Ứng dụng tích hợp thuật toán RBF-FDTD vào phần mềm tính toán quá độ lưới điện: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) và các công ty tư vấn điện nên chủ trì triển khai tích hợp mô-đun RBF-FDTD vào các chương trình mô phỏng nội bộ trong vòng 6 đến 12 tháng tới, nhằm mục tiêu kiểm soát sai số tính toán quá điện áp dưới ngưỡng 3% cho toàn bộ lưới phân phối 22 kV và 35 kV.
• Tối ưu hóa cấu hình treo dây chống sét và dây pha: Các Ban Quản lý dự án lưới điện cần áp dụng ngay việc lắp đặt bổ sung dây chống sét có nối đất định kỳ cho các khoảng cột đi qua khu vực có mật độ sét đánh cao (trên 4 lần/km2/năm). Mục tiêu giảm thiểu từ 40% đến 50% nguy cơ phóng điện sự cố, hoàn thành đánh giá lại thiết kế cho các tuyến xung yếu trong thời gian 12 tháng.
• Khảo sát và cải tạo điện trở suất tiếp địa đất: Các đơn vị truyền tải và phân phối điện cần thực hiện đo đạc, lập bản đồ điện trở suất đất định kỳ 6 tháng một lần dọc theo các tuyến đường dây, tiến hành xử lý hóa chất giảm điện trở tiếp địa cột đạt trị số dưới 10 Ohm tại các vùng đất đồi núi đá có độ dẫn điện kém (dưới 0,001 S/m).
• Tự động hóa quy trình xác định thông số hình dạng c: Các nhóm nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật cần tiếp tục hoàn thiện thuật toán tối ưu hóa thông minh (như giải thuật di truyền GA hoặc tối ưu bầy đàn PSO) để tự động hóa hoàn toàn việc trích xuất hệ số c tối ưu trong vòng 3 đến 6 tháng, nâng cao tốc độ tính toán lên gấp 2 đến 3 lần.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế và quy hoạch hệ thống điện: Nắm vững phương pháp tính toán điện áp cảm ứng chính xác để lựa chọn mức cách điện định mức, khoảng cách pha - đất và cấu hình dây chống sét tối ưu cho các dự án đường dây trên không từ 22 kV đến 220 kV.
• Cán bộ quản lý vận hành và điều độ lưới điện: Ứng dụng các phân tích về sự suy giảm điện trường và quá điện áp cảm ứng để xây dựng quy trình bảo dưỡng tiếp địa, phân tích nguyên nhân sự cố rơle bảo vệ tác động do sét đánh ngoài đường dây trong bán kính 500 m.
• Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điện: Sử dụng luận văn như tài liệu học thuật chuyên sâu về sự kết hợp giữa phương pháp giải tích điện từ trường Maxwell và các phương pháp tính toán số hiện đại (Mesh-free RBF và FDTD).
• Các nhà phát triển phần mềm mô phỏng kỹ thuật: Khai thác chi tiết các công thức toán học sai phân rời rạc và thuật toán tối ưu tham số c để xây dựng các công cụ phần mềm tính toán quá điện áp lan truyền mới thay thế cho các thuật toán sai phân truyền thống.

Câu hỏi thường gặp

• Phương pháp RBF-FDTD có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp FDTD truyền thống? Phương pháp RBF-FDTD kết hợp hàm bán kính cơ sở giúp nội suy không gian chính xác hơn, khắc phục hoàn toàn hiện tượng tán sắc số của lưới FDTD cổ điển. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp này giảm sai số tính toán biên độ đỉnh sóng quá điện áp từ 8,4% xuống dưới 2,1% so với phần mềm chuẩn LIOV mà không đòi hỏi phải chia lưới quá mịn làm tăng thời gian xử lý.

• Thông số hình dạng c trong hàm RBF đóng vai trò như thế nào đối với độ chính xác của bài toán? Thông số hình dạng c quyết định độ dốc và phạm vi ảnh hưởng của hàm nội suy bán kính. Khi c tiến tới vô cùng, công thức RBF-FDTD sẽ tiệm cận về sai phân FDTD thông thường. Bằng cách sử dụng thuật toán tối ưu ngẫu nhiên để xác định giá trị c phù hợp cho từng loại hàm MQ, IMQ hay GA, sai số tính toán của bài toán điện từ trường được triệt tiêu về mức tối thiểu.

• Tại sao điện trường ngang lại đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điện áp cảm ứng sét? Mặc dù biên độ của điện trường ngang nhỏ hơn nhiều so với điện trường dọc, nhưng điện trường ngang xuất hiện do tổn hao mặt đất hữu hạn và tác động trực tiếp dọc theo chiều dài dây dẫn. Thành phần này quyết định trực tiếp đến điện áp nhiễu, làm thay đổi đáng kể dạng sóng, độ dốc đầu sóng và gây ra hiện tượng đổi dấu cực tính ở đuôi sóng điện áp cảm ứng.

• Mô hình dòng sét nào được đánh giá là tối ưu nhất để tính toán điện áp cảm ứng gần đường dây? Mô hình đường dây truyền tải (TL) với giả thiết dòng sét lan truyền không suy giảm vận tốc (v khoảng 1,3x10^8 m/s) là mô hình tối ưu nhất để ước lượng biên độ đỉnh điện trường và điện áp cảm ứng ở khoảng cách gần dưới 5 km trong vài microgiây đầu tiên, nhờ công thức toán học đơn giản, tường minh và độ chính xác cao.

• Dây chống sét giúp làm giảm điện áp cảm ứng trên dây pha như thế nào? Khi sóng điện từ kênh sét quét qua đường dây, dây chống sét được nối đất tại các vị trí cột sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng ngược dấu với điện áp cảm ứng trên dây pha. Nhờ hiện tượng ghép nối điện từ hỗ cảm, thành phần điện áp này triệt tiêu một phần điện áp cảm ứng tổng, giúp giảm biên độ quá điện áp trên các dây pha từ 40% đến 50%.

Kết luận

• Xây dựng thành công công thức sai phân trong miền thời gian kết hợp hàm bán kính cơ sở (RBF-FDTD) cho cả 3 dạng hàm Multiquadrics, Inverse Multiquadrics và Gaussians để giải phương trình điện từ trường kênh sét.
• Chứng minh quy luật hội tụ toán học chặt chẽ: phương pháp FDTD truyền thống chính là một trường hợp đặc biệt của RBF-FDTD khi thông số hình dạng c tiến đến vô cùng.
• Phát triển thuật toán ngẫu nhiên tối ưu hóa thông số hình dạng c, giúp nâng cao độ chính xác mô phỏng điện áp cảm ứng trên đường dây một pha và ba pha vượt trội so với FDTD khi đối chiếu với chuẩn LIOV.
• Khảo sát toàn diện ảnh hưởng của các yếu tố vật lý thực tế: vận tốc dòng sét (1,3x10^8 m/s), biên độ dòng phóng (9,9 kA), điện trở suất đất có tổn hao và hiệu ứng vầng quang đến dạng sóng quá điện áp lan truyền.
• Ứng dụng thành công mô hình tính toán trên tuyến đường dây thực tế 173 Đa Nhim – 171 Hạ Sông Pha tại các mốc chiều dài 0 m, 500 m và 1000 m, làm cơ sở khoa học tin cậy cho thiết kế bảo vệ chống sét lưới điện.

Kế hoạch phát triển tiếp theo trong vòng 12 tháng tới sẽ mở rộng thuật toán RBF-FDTD cho hệ thống lưới điện phân phối phức tạp có cấu trúc phân nhánh và xét đến ảnh hưởng phi tuyến của điện trở nối đất cột khi có dòng sét lớn đi qua. Quý độc giả và các kỹ sư quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp khung thuật toán này để nâng cao độ an toàn tin cậy cho công trình đường dây truyền tải điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG. Lý do chọn đề tài. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài. Phương pháp thực hiện.

Điểm mới của đề tài. Nội dung của luận văn. 3 CHƯƠNG 2: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ KÊNH SÉT. Khảo sát các mô hình dòng sét.

Dòng điện tại đáy kênh sét. Mô hình đường dây truyền tải (TL). Mô hình MTLL. Mô hình MTLE.

Mô hình Diendorfer – Uman. So sánh các mô hình dòng sét. Trường điện từ của kênh sét .1 Lý thuyết tính toán trường điện từ kênh sét. Tính toán điện trường dọc của kênh sét.

Điện trường dọc tại khoảng cách gần và xa kênh sét. Điện trường dọc tại khoảng cách rất gần kênh sét. Tính toán điện trường ngang của kênh sét. Trường hợp mặt đất dẫn điện lý tưởng.

Trường hợp mặt đất có tổn hao. 25 CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP FDTD VÀ RBF-FDTD. Giới thiệu về phương pháp FDTD. Sơ lược về FDTD.

Các công thức sai phân trong miền thời gian. Giới thiệu về phương pháp RBF-FDTD. Sơ lược về RBF-FDTD. Các công thức RBF-FDTD trong miền thời gian.

So sánh giữa FDTD và RBF-FDTD. Khảo sát sự thay đổi của hệ số hình dạng c .38 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI BẰNG PHƯƠNG PHÁP RBF-FDTD. Giới thiệu về bài toán điện áp cảm ứng sét. Đường dây ba pha.

Tính toán điện áp cảm ứng sét của đường dây đơn bằng phương pháp RBF- FDTD. Phương pháp RBF-FDTD. Kết quả mô phỏng. So sánh kết quả tính toán điện áp cảm ứng sét của đường dây đơn với LIOV và đánh giá sai số giữa các phương pháp (MQ, IMQ, GA, FDTD).

Thuật toán ngẫu nhiên xác định thông số hình dạng tối ưu. So sánh kết quả tính toán với LIOV và đánh giá sai số. Tính toán điện áp cảm ứng sét của đường dây ba pha bằng phương pháp RBF- FDTD. Phương pháp RBF-FDTD.

Kết quả mô phỏng. Tính toán điện áp cảm ứng sét của một đường dây ba pha thực tế. 77 CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐẾN ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG. Khảo sát sự ảnh hưởng của vận tốc và biên dộ dòng kênh sét đến điện áp cảm ứng.

Sự ảnh hưởng của vận tốc kênh sét. Sự ảnh hưởng của biên độ dòng điện kênh sét. Khảo sát sự ảnh hưởng của vầng quang. Khảo sát sự ảnh hưởng của dòng về trong đất.

84 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN .85 TÀI LIỆU THAM KHẢO .87 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .90 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mô hình dòng sét [20].2 Dòng điện tại đáy kênh sét.3 Dòng điện tại đáy kênh sét được đo tại Trung tâm Không gian Kenedy của NASA [1987].4 Dòng điện dọc kênh sét của mô hình TL tại các khoảng cách z = 0 ÷ 6 km.5 Dòng điện dọc kênh sét của mô hình MTLL tại các khoảng cách z = 0 ÷ 6 km.6 Dòng điện dọc kênh sét của mô hình MTLE tại các khoảng cách z = 0 ÷ 6 km.7 Dòng điện dọc kênh sét của mô hình DU tại các khoảng cách z = 0 ÷ 6 km.8 Số liệu điện trường dọc (trái) và từ trường (phải) do dòng sét gây ra tại các vị trí 1, 2, 5, 10, 15, 50 km [1] .9 Các thông số được sử dụng để tính điện từ trường của mô hình dòng sét .10 Điện trường dọc kênh sét tại các khoảng cách khác nhau .11 Các thành phần của điện trường dọc tại r = 1km .12 Các thành phần của điện trường dọc tại r = 200km .13 Điện trường dọc tại các độ cao khác nhau.14 Điện trường dọc tại mặt đất (z=0) ở các khoảng cách r = 50m; 100m; 200m; 500m.15 Điện trường ngang tại z = 10m và r = 50m; 100m; 200m; 500m.16 Điện trường ngang tại z = 10m; z = 15m; z=20m và r = 50m.17 Điện trường ngang theo công thức C-R và [10] tại r = 100m.18 Điện trường ngang theo công thức C-R và [10] tại r = 500m.19 Điện trường ngang theo công thức C-R và [10] tại r = 1500m.1 Các dạng lưới thường gặp: (a) lưới hình chữ nhật, (b) lưới nghiêng, (c) lưới tam giác, (d) lưới tròn.2 Lưới của hàm bán kính cơ sở .3 Không gian một chiều.4 Không gian hai chiều.1 Mô hình đường dây truyền tải.2 Các vị trí khảo sát .3 Mô hình Agrawal tính toán điện áp cảm ứng trên đường dây do sét gây ra.4 Cấu hình đường dây ba pha.5 Sơ đồ mạch sai phân tương đương của đường dây ba pha không tổn hao (điều kiện biên bên phải).7 Điện áp nhiễu; a) MQ, b) IMQ, c) GA.8 Điện áp cảm ứng sét; a) MQ, b) IMQ, c) GA.9 Điện áp cảm ứng tại x = 0m (nét liền); a)RBF-FDTD, b) Rachidi [13].10 Điện áp cảm ứng tại x = 250m (nét liền); a)RBF-FDTD, b) Rachidi [13].11 Điện áp cảm ứng tại x = -500m; a) MQ, b) IMQ, c) GA.12 Điện áp cảm ứng tại x = 0m.13 Điện áp cảm ứng tại x = 250m.14 Điện áp cảm ứng tại x = 500m.15 Mô hình phân bố ngẫu nhiên các giá trị thông số hình dạng c.16 Điện áp cảm ứng sét cuối đường dây theo FDTD, RBF-FDTD và LIOV.17 Điện áp cảm ứng sét cuối đường dây theo IMQ-FDTD và LIOV.18 So sánh sai số giữa FDTD và RBF-FDTD so với LIOV.19 So sánh sai số giữa IMQ-FDTD và FDTD khi thay đổi số phần tử.20 Cấu hình đường dây ba pha; a) ngang, b) dọc.21 Điện áp cảm ứng cuối đường dây ba pha (x = 500m) cấu hình dọc không có dây chống sét; a) RBF-FDTD, b) Rachidi [16].22 Điện áp cảm ứng cuối đường dây ba pha (x = 500m) cấu hình dọc có dây chống sét; a) RBF-FDTD, b) Rachidi [16].23 Điện áp cảm ứng cuối đường dây ba pha (x = 500m) cấu hình ngang không có dây chống sét; a) RBF-FDTD, b) Rachidi [16].24 Điện áp cảm ứng cuối đường dây ba pha (x = 500m) cấu hình ngang có dây chống sét; a) RBF-FDTD, b) Rachidi [16].25 Thông số đường dây 173 Đa Nhim – 171 Hạ Sông Pha.26 Điện áp cảm ứng của đường dây ba pha tại vị trí x = 0m.27 Điện áp cảm ứng của đường dây ba pha tại vị trí x = 500m.28 Điện áp cảm ứng của đường dây ba pha tại vị trí x = 1000m.1 Ảnh hưởng của vận tốc lan truyền sét lên điện áp cảm ứng.2 Ảnh hưởng của biên độ dòng điện kênh sét đến điện áp cảm ứng.3 Điện áp cảm ứng do ảnh hưởng của vầng quang (nét đứt).4 Ảnh hưởng của độ dẫn điện mặt đất lên điện áp cảm ứng (nét liền).5 Kết quả của Rachidi [8] (nét liền).83 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Bảng đánh giá sai số giữa FDTD và RBF-FDTD so với LIOV .64 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TL Transmission Line. MTLL Modified Transmission Line Linear. MTLE Modified Transmission Line Exponential. DU Diendorfer – Uman.

TSC Traveling Source Current. BG Bruce and Golde. FDTD Finite Difference Time Domain. FDE Partial Differential Equation.

FDM Finite Difference Method. FDG Finite Difference Grids. RBF Radial Basis Function. MQ Multiquadrics IMQ Inverse Multiquadrics GA Gaussians LIOV Lightning – Induced Overvoltage 1 CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG NỘI DUNG: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI NỘI DUNG LUẬN VĂN 2 1.

Lý do chọn đề tài Điện áp cảm ứng sinh ra do trƣờng điện từ dòng sét lan truyền trong không khí. Khi xảy ra sự phóng điện của kênh sét, dòng điện sét sẽ tạo ra một trƣờng điện từ lan truyền kèm năng lƣợng bức xạ rất lớn ở môi trƣờng xung quanh. Theo số liệu thống kê và tính toán của Krider và Guo [1983], năng lƣợng bức xạ điện từ của xung phóng điện lần đầu là khoảng 2x1010 W và các xung phóng điện kế tiếp là 3x109 W. Trƣờng điện từ này tác động lên đƣờng dây truyền tải của hệ thống điện sinh ra điện áp cảm ứng chạy trong đƣờng dây.

Quá điện áp tạo bởi điện áp cảm ứng này phá hủy cách điện đƣờng dây, gây ngắn mạch trên hệ thống hoặc lan truyền theo đƣờng dây vào trạm gây nguy hiểm cho các thiết bị trong trạm. Để hạn chế những thiệt hại nêu trên đến mức tối thiểu thì chúng ta cần phải tính toán chính xác điện áp cảm ứng gây ra quá điện áp so với mức cách điện của đƣờng dây, thiết bị hoặc so với mức cho phép của quá điện áp. Từ đó, chúng ta có thể thiết lập các bảo vệ để đƣờng dây hoạt động đƣợc ổn định. Chính vì vậy, việc tìm hiểu, nghiên cứu và tính toán điện áp cảm ứng trên đƣờng dây truyền tải điện trên không do sét đánh gần đƣờng dây gây ra là cần thiết.

Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài Đề tài này trình bày về việc “Tính toán điện áp cảm ứng của đƣờng dây phân phối bằng phƣơng pháp RBF-FDTD” nhằm mục tiêu là tìm hiểu, nghiên cứu và tính toán điện áp cảm ứng trên đƣờng dây truyền tải điện trên không do sét đánh gần đƣờng dây gây ra. Từ đó, chúng ta đƣa ra một số biện pháp nhằm hạn chế hiện tƣợng quá điện áp cảm ứng trên đƣờng dây truyền tải. Để thực hiện đề tài này cần thực hiện các nhiệm vụ nhƣ sau: Nghiên cứu và tính toán dòng điện sét để từ đó tính toán đƣợc trƣờng điện từ do dòng sét gây ra. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả trên IEEE.

3 Tìm hiểu và sử dụng phƣơng pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) để tính toán điện áp cảm ứng kênh sét cho đƣờng dây đơn và đƣờng dây ba pha. Kết hợp giữa hàm bán kính cơ sở và sai phân hữu hạn trong miền thời gian (RBF-FDTD), xây dựng công thức sai phân mới để tính toán điện áp cảm ứng kênh sét cho đƣờng dây đơn và đƣờng dây ba pha sao cho độ chính xác tốt hơn. Đƣa ra một số biện pháp nhằm hạn chế điện áp cảm ứng trên đƣờng dây. Phƣơng pháp thực hiện Phƣơng pháp chủ yếu sử dụng trong đề tài này là: Trao đổi với thầy hƣớng dẫn về những nhiệm vụ trong đề tài và các vấn đề mở rộng.

Tìm kiếm tài liệu trên các trang Web có uy tín nhƣ IEEE để tính toán và so sánh. Liên hệ và tham khảo ý kiến của các chuyên gia trong lĩnh vực tính toán số và các chuyên gia trong lĩnh vực tính toán điện áp cảm ứng cả trong và ngoài nƣớc. Điểm mới của đề tài Áp dụng một phƣơng pháp hoàn toàn mới để tính toán điện áp cảm ứng sét.