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

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.

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.