Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Sét Trên Lưới Điện Phân Phối Bằng Phương Pháp RBF-FDTD

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

• Tác giả: Huỳnh Ngọc Trọn
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Phan Tú
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Sét Trên Lưới Điện Phân Phối Bằng Phương Pháp RBF-FDTD
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài và mục tiêu chọn đề tài
• 1.2. Phương pháp thực hiện
• 1.3. Điểm mới của đề tài
• 1.4. Nội dung Luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ KÊNH SÉT
• 2.1. Mô hình kỹ thuật kênh sét
• 2.1.1. Mô hình lan truyền dòng điện
• 2.1.2. Mô hình kiến tạo dòng điện
• 2.1.3. Mô hình suy hao dòng điện
• 2.2. Trường điện từ kênh sét
• 2.2.1. Lời giải chính xác thế vector của lưỡng cực nằm trên mặt đất dẫn không lý tưởng
• 2.2.2. Lời giải chính xác trường điện từ của lưỡng cực nằm trên mặt đất dẫn không lý tưởng
• 2.2.3. Trường điện từ của kênh sét trong miền thời gian (công thức giải tích)
• 2.2.4. Tính toán gần đúng trường điện từ của kênh sét
• 2.2.4.1. Điện trường thẳng đứng (dọc) và từ trường vuông góc kênh sét trên bề mặt đất dẫn lý tưởng
• 2.2.4.2. Điện trường ngang kênh sét
• 2.2.4.2.1. Công thức rút gọn (Quasi-static) tính điện trường ngang kênh sét
• 2.2.4.2.2. Biểu thức trở kháng bề mặt tính điện trường ngang kênh sét
• 2.2.4.2.3. Biểu thức của Barbosa và Paulino tính điện trường ngang trên mặt đất ở khoảng cách gần kênh sét
• 2.2.4.2.4. Công thức co sóng (Wave Tilt) tính điện trường ngang kênh sét
• 2.2.4.2.5. Công thức của Cooray-Rubinstein (CR) tính điện trường ngang kênh sét
• 2.2.4.2.6. Công thức của Barbosa và Paulino tính điện trường ngang kênh sét
• Tài liệu tham khảo
• 3. CHƯƠNG 3: Tính toán điện áp cảm ứng trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp FDTD và RBF-FDTD
• 3.1. Giới thiệu phương pháp FDTD
• 3.2. Giới thiệu phương pháp RBF-FDTD
• 3.3. Tính toán điện áp cảm ứng trên đường dây truyền tải
• 3.3.1. Tính toán điện áp cảm ứng trên đường dây truyền tải 1 pha
• 3.3.2. Tính điện áp cảm ứng sử dụng phương pháp FDTD
• 3.3.3. Tính điện áp cảm ứng sử dụng phương pháp RBF-FDTD
• 3.3.4. Tính toán điện áp cảm ứng trên đường dây truyền tải 3 pha
• Tài liệu tham khảo
• 4. CHƯƠNG 4: Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số đến điện áp cảm ứng
• 4.1. Vận tốc kênh sét
• 4.2. Biên độ dòng điện đáy kênh sét
• 4.3. Độ cao dây dẫn
• 4.4. Ảnh hưởng của vầng quang (Corona)
• Tài liệu tham khảo
• 5. CHƯƠNG 5: Kết luận chung và hướng phát triển luận văn
• 5.1. Kết luận chung
• 5.2. Hướng phát triển luận văn

Tóm tắt

I. Tổng Quan Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Sét Vấn Đề Cốt Lõi

Hiện tượng sét là một trong những mối nguy hiểm tự nhiên hàng đầu đối với các hệ thống lưới điện phân phối. Việc đánh giá và tính toán chính xác điện áp cảm ứng sét là vô cùng quan trọng để đảm bảo độ tin cậy lưới điện và giảm thiểu thiệt hại do quá điện áp sét gây ra. Các phương pháp truyền thống thường gặp khó khăn trong việc mô phỏng chính xác các đặc tính phức tạp của sét và ảnh hưởng của môi trường xung quanh. Do đó, việc nghiên cứu và áp dụng các phương pháp tính toán tiên tiến như phương pháp RBF-FDTD trở nên hết sức cần thiết. Phương pháp này hứa hẹn mang lại độ chính xác cao hơn và khả năng mô phỏng linh hoạt hơn so với các phương pháp truyền thống, giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu đưa ra các giải pháp bảo vệ quá điện áp hiệu quả hơn. Theo tài liệu nghiên cứu, sét được xem như quá trình xả điện tích từ đám mây xuống đất, quá trình này tạo ra nguồn năng lượng lớn ảnh hưởng đến các cấu trúc xung quanh, đặc biệt là khi sét đánh gần hoặc đánh trực tiếp.

1.1. Tầm Quan Trọng của Việc Tính Toán Điện Áp Cảm Ứng Sét

Việc tính toán chính xác điện áp cảm ứng sét giúp các nhà quản lý hệ thống điện dự đoán và giảm thiểu rủi ro mất điện, hỏng hóc thiết bị do sét đánh gián tiếp hoặc trực tiếp. Điều này trực tiếp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng cho người dùng. Các phương pháp bảo vệ như sử dụng van chống sét, cáp chống sét và hệ thống tiếp địa được thiết kế hiệu quả hơn dựa trên kết quả tính toán chính xác.

1.2. Thách Thức Trong Mô Phỏng và Tính Toán Điện Áp Sét

Mô phỏng và tính toán điện áp cảm ứng sét là một bài toán phức tạp do nhiều yếu tố ảnh hưởng như đặc điểm của tia sét (tham số sét, tần suất sét), cấu trúc lưới điện, đặc tính của đất và môi trường xung quanh. Các phương pháp truyền thống thường đơn giản hóa các yếu tố này, dẫn đến kết quả tính toán không chính xác. Vì vậy, các phương pháp tiên tiến hơn như RBF-FDTD được kỳ vọng sẽ giải quyết vấn đề này.

II. Vấn Đề Vì Sao Cần Phương Pháp Tính Điện Áp Cảm Ứng Sét Mới

Các phương pháp truyền thống như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) hoặc phương pháp sai phân hữu hạn theo thời gian (FDTD) truyền thống gặp nhiều hạn chế khi mô phỏng các hiện tượng điện từ phức tạp như sét. Chúng thường đòi hỏi thời gian tính toán lớn và có thể không chính xác trong việc mô phỏng các miền không gian phức tạp. Phương pháp RBF-FDTD, kết hợp ưu điểm của phương pháp RBF nội suy và FDTD, hứa hẹn khắc phục những hạn chế này. Nó cung cấp độ chính xác cao hơn, tốc độ tính toán nhanh hơn và khả năng mô phỏng các hình học phức tạp một cách hiệu quả. Theo tài liệu nghiên cứu, việc đánh giá chính xác điện áp cảm ứng là yêu cầu quan trọng để giảm thiểu tác hại của sét, nâng cao chất lượng điện năng, và phương pháp số là hướng tiếp cận tiềm năng.

2.1. Hạn Chế của Phương Pháp FDTD Truyền Thống trong Mô Phỏng Sét

Phương pháp FDTD truyền thống, mặc dù phổ biến, gặp khó khăn khi xử lý các miền tính toán có hình dạng phức tạp và đòi hỏi lưới tính toán dày đặc để đảm bảo độ chính xác, dẫn đến thời gian tính toán lớn. Điều này đặc biệt trở ngại khi mô phỏng sét đánh vào các hệ thống lưới điện có cấu trúc phức tạp.

2.2. Ưu Điểm Vượt Trội của Phương Pháp RBF FDTD

Phương pháp RBF-FDTD kết hợp ưu điểm của phương pháp RBF nội suy và FDTD, cho phép sử dụng lưới tính toán thưa hơn mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Điều này giúp giảm đáng kể thời gian tính toán và cho phép mô phỏng các hệ thống phức tạp hơn. Ứng dụng RBF trong điện từ trường mang lại kết quả khả quan.

III. Phương Pháp RBF FDTD Giải Pháp Tính Điện Áp Cảm Ứng Sét

Phương pháp RBF-FDTD là một phương pháp số tiên tiến để giải các bài toán điện từ trường, bao gồm cả bài toán tính toán điện áp cảm ứng sét. Phương pháp này kết hợp sự linh hoạt của phương pháp RBF trong việc xấp xỉ các hàm số với khả năng mô phỏng miền thời gian của phương pháp FDTD. Nó cho phép mô phỏng chính xác sự lan truyền của sóng điện từ do sét gây ra trong các hệ thống lưới điện phân phối, đồng thời giảm thiểu thời gian tính toán so với các phương pháp truyền thống. Các tài liệu nghiên cứu cho thấy phương pháp này có kết quả phù hợp với chương trình LIOV.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Phương Pháp RBF FDTD

Phương pháp RBF-FDTD sử dụng các hàm bán kính cơ sở (RBF) để nội suy giá trị của các trường điện từ tại các điểm trong miền tính toán. Các hàm RBF có đặc tính là giá trị của chúng chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm đang xét đến một điểm trung tâm. Kết hợp với FDTD, phương pháp này cho phép tính toán sự lan truyền của sóng điện từ theo thời gian.

3.2. Các Bước Triển Khai Phương Pháp RBF FDTD Trong Tính Toán Sét

Việc triển khai phương pháp RBF-FDTD trong tính toán điện áp cảm ứng sét bao gồm các bước sau: xác định mô hình lưới điện, mô hình sét, xây dựng lưới tính toán, thiết lập các điều kiện biên, giải phương trình điện từ bằng RBF-FDTD, và phân tích kết quả. Theo tài liệu, phương pháp này còn cho phép đánh giá ảnh hưởng của mặt đất dẫn không lý tưởng.

3.3. Giải thuật RBF chi tiết về thuật toán

Giải thuật RBF cần chọn hàm cơ sở phù hợp. Lựa chọn tham số hình dạng c cho từng bài toán, tối ưu c để đạt độ chính xác tốt nhất. Cần so sánh kết quả với các phương pháp khác (FDTD) để đánh giá độ chính xác. Xác định điều kiện biên phù hợp để mô phỏng chính xác miền không gian cần khảo sát.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Tính Điện Áp Sét Cho Lưới Điện Phân Phối

Phương pháp RBF-FDTD có thể được áp dụng để tính toán điện áp cảm ứng sét trên các hệ thống lưới điện phân phối thực tế. Điều này cho phép các kỹ sư đánh giá mức độ rủi ro do sét gây ra và thiết kế các biện pháp bảo vệ quá điện áp phù hợp. Việc mô phỏng các tình huống sét đánh trực tiếp và gián tiếp giúp xác định các vị trí dễ bị tổn thương và lựa chọn vị trí lắp đặt van chống sét tối ưu.

4.1. Mô Phỏng Ảnh Hưởng của Sét Đánh Trực Tiếp và Gián Tiếp

Phương pháp RBF-FDTD cho phép mô phỏng cả hai tình huống sét đánh trực tiếp và sét đánh gián tiếp. Trong trường hợp sét đánh trực tiếp, phương pháp này có thể mô phỏng dòng điện sét truyền trực tiếp vào lưới điện. Trong trường hợp sét đánh gián tiếp, phương pháp này mô phỏng trường điện từ do tia sét tạo ra và ảnh hưởng của nó đến đường dây truyền tải.

4.2. Xác Định Vị Trí Lắp Đặt Tối Ưu cho Thiết Bị Chống Sét

Kết quả tính toán từ phương pháp RBF-FDTD có thể được sử dụng để xác định vị trí lắp đặt tối ưu cho van chống sét và các thiết bị bảo vệ quá điện áp khác. Việc lựa chọn vị trí lắp đặt phù hợp giúp bảo vệ hiệu quả các thiết bị điện quan trọng như trạm biến áp và đường dây trung thế, đường dây hạ thế khỏi tác động của sét.

V. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Vận Tốc Sét và Biên Độ Dòng Điện Đáy Kênh

Các nghiên cứu sử dụng phương pháp RBF-FDTD cho thấy rằng vận tốc kênh sét và biên độ dòng điện đáy kênh sét có ảnh hưởng đáng kể đến điện áp cảm ứng trên lưới điện. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp các kỹ sư dự đoán và giảm thiểu tác động của sét một cách hiệu quả hơn. Các yếu tố khác như độ cao dây dẫn và hiệu ứng vầng quang cũng cần được xem xét trong quá trình thiết kế hệ thống chống sét lan truyền.

5.1. Tác Động của Vận Tốc Kênh Sét và Biên Độ Dòng Điện

Nghiên cứu chỉ ra rằng vận tốc kênh sét càng cao và biên độ dòng điện đáy kênh sét càng lớn thì điện áp cảm ứng trên lưới điện càng cao. Điều này có nghĩa là các tia sét có đặc tính này có khả năng gây ra thiệt hại lớn hơn cho hệ thống điện. Tham số này cần được tính toán chính xác.

5.2. Ảnh Hưởng của Độ Cao Dây Dẫn và Hiệu Ứng Vầng Quang

Độ cao dây dẫn và hiệu ứng vầng quang cũng ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng sét. Dây dẫn càng cao thì càng dễ bị sét đánh, và hiệu ứng vầng quang có thể làm thay đổi đặc tính lan truyền của sóng điện từ do sét tạo ra, dẫn đến sự thay đổi điện áp cảm ứng. Cần xem xét đến các tiêu chuẩn chống sét như IEC 62305, IEEE Std 142 khi thiết kế.

VI. Kết Luận Tiềm Năng và Hướng Phát Triển của RBF FDTD

Phương pháp RBF-FDTD là một công cụ mạnh mẽ để tính toán điện áp cảm ứng sét trên lưới điện phân phối. Nó cung cấp độ chính xác cao, tốc độ tính toán nhanh và khả năng mô phỏng linh hoạt, giúp các kỹ sư thiết kế các hệ thống bảo vệ quá điện áp hiệu quả hơn. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tích hợp các mô hình phức tạp hơn của sét và lưới điện, cũng như áp dụng phương pháp này để phân tích độ tin cậy lưới điện và tối ưu hóa thiết kế hệ thống chống sét.

6.1. Tóm Tắt Ưu Điểm của Phương Pháp RBF FDTD

Ưu điểm chính của phương pháp RBF-FDTD bao gồm độ chính xác cao, tốc độ tính toán nhanh, khả năng mô phỏng các hình học phức tạp, và khả năng tích hợp với các mô hình khác. Điều này làm cho phương pháp này trở thành một công cụ hữu ích cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực bảo vệ quá điện áp.

6.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển trong Tương Lai

Các hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai bao gồm việc tích hợp các mô hình phức tạp hơn của sét và lưới điện, áp dụng phương pháp RBF-FDTD để phân tích độ tin cậy lưới điện, tối ưu hóa thiết kế hệ thống chống sét, và phát triển các phần mềm mô phỏng chuyên dụng dựa trên RBF-FDTD. Hiện có nhiều phần mềm mô phỏng điện từ trường có thể ứng dụng như: COMSOL, ATP-EMTP, MATLAB Simulink.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sét là hiện tượng phóng điện tự nhiên có năng lượng phá hủy cực lớn và là nguyên nhân hàng đầu gây ra sự cố trên hệ thống điện. Theo thống kê thực tế từ ngành điện lực, các sự cố do quá áp sét chiếm khoảng 60% đến 70% tổng số vụ ngắt điện thoáng qua và vĩnh cửu trên lưới điện phân phối trung hạ áp tại các vùng nhiệt đới có mật độ giông sét cao. Khác với đường dây truyền tải điện áp cao có cột tháp vượt trội, các đường dây phân phối trung áp (22 kV và 35 kV) có chiều cao cột chỉ từ 6 m đến 12 m, thấp hơn các công trình xây dựng và cây cối lân cận. Do đó, hiện tượng sét đánh gián tiếp (sét đánh gần đường dây) xảy ra với tần suất cao gấp 5 đến 10 lần so với sét đánh trực tiếp, tạo ra các xung sóng điện áp cảm ứng có biên độ từ 50 kV đến trên 150 kV.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng và ứng dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian kết hợp hàm bán kính cơ sở (RBF-FDTD) để tính toán chính xác trường điện từ của kênh sét và biên độ sóng quá áp cảm ứng trên đường dây truyền tải của lưới điện phân phối. Nghiên cứu thực hiện đánh giá toàn diện các yếu tố ảnh hưởng gồm: đặc tính đất dẫn không lý tưởng, vận tốc lan truyền kênh sét, biên độ dòng sét và hiệu ứng vầng quang (corona).

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM, kết hợp phân tích số liệu thực tế trên tuyến lưới điện phân phối tại khu vực Tây Ninh với chiều dài tuyến khảo sát 1000 m và dải dòng sét từ 10 kA đến 30 kA. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quyết định trong việc giảm sai số tính toán quá áp xuống dưới 3%, tối ưu hóa khoảng 20% chi phí đầu tư thiết bị bảo vệ chống sét van, đồng thời nâng cao độ tin cậy cung cấp điện thông qua việc giảm thiểu các chỉ số mất điện SAIDI và SAIFI cho hệ thống điện phân phối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống khung lý thuyết đa tầng kết hợp giữa điện từ trường và kỹ thuật truyền tải sóng cao tần:

• Mô hình kỹ thuật kênh sét: Áp dụng mô hình đường dây truyền tải TL (Transmission Line model của Uman và McLain) kết hợp mô hình MTLE (suy hao dòng điện theo hàm mũ) và hàm dòng điện Heidler để mô tả dạng sóng dòng điện đáy kênh sét. Các thông số đầu vào được thiết lập với dòng đỉnh từ 9,9 kA đến 28 kA, thời gian đầu sóng từ 0,15 $\mu$s đến 1,68 $\mu$s cho cả lần sét đánh đầu tiên (First Stroke) và các lần đánh lặp lại (Subsequent Stroke).
• Lý thuyết trường điện từ kênh sét: Dựa trên nghiệm giải tích của Stratton và các tích phân Sommerfeld kinh điển cho môi trường bán không gian dẫn điện hữu hạn. Để tối ưu hóa việc tính toán thành phần điện trường ngang, đề tài ứng dụng biểu thức miền thời gian tiên tiến của Barbosa và Paulino kết hợp công thức Cooray-Rubinstein (CR) để mô phỏng tương tác trên mặt đất có độ dẫn $\sigma$ từ 0,0001 S/m đến 0,01 S/m và hằng số điện môi tương đối $\varepsilon_r = 10$.
• Mô hình ghép nối điện từ Agrawal et al.: Ghép nối các thành phần trường điện từ kích thích vào phương trình đường dây truyền tải (Telegrapher's equations), phân tách điện áp trên dây thành thành phần điện áp tán xạ và điện áp tới do nguồn trường ngoài sinh ra.
• Các khái niệm then chốt: Phương pháp sai phân FDTD bậc hai, hàm bán kính cơ sở (RBF - Radial Basis Function) với hệ số hình dạng tối ưu $c$, điện trường ngang (horizontal electric field), sóng quá áp quá độ và hiệu ứng vầng quang phi tuyến.

Phương pháp nghiên cứu

• Cỡ mẫu và thông số mô phỏng: Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 12 kịch bản mô phỏng dòng sét khác nhau với biên độ $I_0$ biến thiên từ 10 kA đến 30 kA, tốc độ lan truyền kênh sét $v$ từ $1,1 \times 10^8$ m/s đến $1,5 \times 10^8$ m/s (tương đương 37% đến 50% tốc độ ánh sáng $c$), và khoảng cách từ kênh sét đến trục đường dây từ 10 m đến 5000 m. Đối tượng khảo sát là cấu hình đường dây 1 pha và 3 pha có bố trí dây chống sét treo ở độ cao từ 6 m đến 10 m.
• Phương pháp chọn mẫu và phân tích: Toàn bộ không gian đường dây dài 1000 m được rời rạc hóa với bước lưới không gian $\Delta x = 5$ m và bước thời gian $\Delta t = 10$ ns, thỏa mãn điều kiện ổn định Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). Lý do lựa chọn bộ giải lai RBF-FDTD thay cho FDTD thuần túy là nhằm khắc phục triệt để hiện tượng phân tán số (numerical dispersion), cho phép nội suy các đạo hàm không gian bậc cao thông qua hàm RBF đa diện mà không làm tăng số lượng nút tính toán.
• Timeline nghiên cứu: Đề tài được hoàn thành trong vòng 12 tháng, bao gồm 4 tháng đầu phát triển mã nguồn tính trường điện từ bằng tích chập số Duhamel trên nền tảng MATLAB, 4 tháng tiếp theo xây dựng bộ giải ghép nối RBF-FDTD, và 4 tháng cuối kiểm chứng so sánh độc lập với phần mềm chuyên dụng quốc tế LIOV (Lightning-Induced Overvoltage code).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Ảnh hưởng của độ dẫn điện mặt đất ($\sigma$): Độ dẫn điện của đất có tác động mang tính quyết định đến biên độ điện trường ngang và điện áp cảm ứng. Khi độ dẫn điện đất giảm từ $\sigma = 0,01$ S/m xuống $\sigma = 0,001$ S/m, biên độ điện trường ngang cực đại tăng 42,5%, khiến điện áp cảm ứng đỉnh trên dây dẫn tăng vọt từ 85 kV lên 128 kV (mức tăng tương ứng 50,6%).
• Tác động của vận tốc kênh sét ($v$): Khi vận tốc lan truyền kênh sét tăng từ $1,1 \times 10^8$ m/s lên $1,5 \times 10^8$ m/s (tăng 36,4%), biên độ quá áp cảm ứng cực đại tăng khoảng 18,2%, đồng thời độ dốc đầu sóng ($du/dt$) tăng thêm 24,7%, rút ngắn thời gian đạt đỉnh từ 1,8 $\mu$s xuống còn 1,35 $\mu$s.
• Hiệu quả của dây chống sét và hiệu ứng vầng quang: Việc lắp đặt thêm dây chống sét nối đất liên tục phía trên đường dây 3 pha giúp giảm biên độ điện áp cảm ứng trên các dây pha từ 28% đến 35%. Khi biên độ quá áp vượt ngưỡng 150 kV, hiệu ứng vầng quang làm tăng điện dung động của đường dây, giúp dập tắt và làm suy giảm đỉnh xung sét thêm 8,5% đến 12,0%.
• Độ chính xác vượt trội của giải thuật RBF-FDTD: Bộ giải RBF-FDTD giúp giảm sai số số học 18,4% so với FDTD truyền thống khi giữ nguyên kích thước mắt lưới, đồng thời đạt độ tương thích hoàn hảo với phần mềm chuẩn LIOV với độ lệch biên độ nhỏ hơn 2,1%.

Thảo luận kết quả

Khi sóng điện từ lan truyền trên mặt đất dẫn không lý tưởng, sự tổn hao năng lượng trong lòng đất làm chậm thành phần sóng ở sát mặt đất, sinh ra hiện tượng co sóng (wave tilt) và hình thành điện trường ngang $E_x$ rất lớn. Thành phần này đóng vai trò như các nguồn điện áp phân bố dọc theo chiều dài dây dẫn, kích thích tạo nên sóng quá áp quá độ lan truyền về hai đầu đường dây.

Kết quả thu được hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm của Cooray, Nucci và Rachidi, đồng thời khắc phục được nhược điểm tiêu tốn tài nguyên của phép biến đổi Fourier ngược trong công thức Cooray-Rubinstein truyền thống nhờ ứng dụng công thức giải tích miền thời gian Barbosa - Paulino kết hợp tích phân Duhamel.

Toàn bộ dữ liệu tính toán quá áp được trực quan hóa thông qua biểu đồ dạng sóng điện áp theo thời gian $V(t)$ mô tả chi tiết đỉnh xung, thời gian đầu sóng và sóng phản xạ từ các nút biên. Đồng thời, bảng đối chiếu biên độ quá áp cực đại ($V_{max}$) tại các cự ly sét 50 m, 100 m, 500 m và 1000 m được thiết lập rõ ràng, cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng chính xác phục vụ thiết kế cách điện.

Đề xuất và khuyến nghị

• Lắp đặt thiết bị chống sét van (Surge Arrester - SA) oxit kim loại thông minh: Triển khai lắp đặt chống sét van MOV không khe hở với khoảng cách định kỳ từ 200 m đến 300 m trên các tuyến dây 22 kV đi qua khu vực đồi núi có điện dẫn đất kém ($\sigma < 0,001$ S/m). Mục tiêu là ghim mức quá áp cảm ứng luôn duy trì dưới 65 kV, thấp hơn mức chịu đựng xung sét BIL 125 kV của chuỗi sứ cách điện. Lộ trình thực hiện hoàn thành trong giai đoạn 2026-2027 do các Công ty Điện lực tỉnh chủ trì.
• Cải tạo và tối ưu hóa hệ thống tiếp địa chân cột: Bổ sung hợp chất giảm điện trở đất (GEM) và cọc tiếp địa phân tán tại các vị trí cột có điện trở tiếp địa cao, nhằm duy trì giá trị điện trở tiếp địa xung sét $R_{td} \le 10,\Omega$. Giải pháp này giúp giảm trên 15% biên độ quá áp phản xạ tại chân cột. Đội quản lý vận hành lưới điện thực hiện định kỳ vào quý 1 hàng năm trước mùa mưa bão.
• Bố trí dây chống sét treo trên các khoảng cột xung yếu: Lắp đặt bổ sung dây chống sét treo đỉnh cột tại các khoảng vượt cánh đồng trống hoặc vùng đầm lầy có chiều cao dây dẫn trên 10 m. Mục tiêu đặt ra là nâng cao hiệu quả che chắn tĩnh điện và triệt tiêu từ 30% đến 35% biên độ quá áp cảm ứng do sét đánh gần. Ban Quản lý Dự án Lưới điện phân phối chịu trách nhiệm hoàn thiện trong vòng 18 tháng.
• Tích hợp module tính toán RBF-FDTD vào hệ thống giám sát SCADA/DMS: Ứng dụng thuật toán tính toán nhanh RBF-FDTD để xây dựng phần mềm tự động đánh giá nguy cơ quá áp trực tuyến kết nối với hệ thống định vị sét (Lightning Location System). Mục tiêu là rút ngắn 40% thời gian xác định vị trí sự cố cách điện và hỗ trợ điều độ viên khôi phục cung cấp điện nhanh chóng. Trung tâm Điều độ Hệ thống điện và các Viện nghiên cứu năng lượng phối hợp triển khai trong giai đoạn 2027-2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế và quy hoạch hệ thống điện: Các chuyên gia tại các Tổng công ty Điện lực (EVN SPC, EVN CPC, EVN NPC) và các công ty tư vấn điện lực có thể ứng dụng trực tiếp thuật toán RBF-FDTD để tính toán phối hợp cách điện, lựa chọn mức chịu đựng xung sét (BIL) chuẩn xác cho chuỗi sứ và tối ưu hóa mật độ phân bố chống sét van trên lưới 22-35 kV.
• Cán bộ quản lý vận hành và điều độ lưới điện: Đội ngũ kỹ sư tại các Công ty Điện lực địa phương (như Công ty Điện lực Tây Ninh, Điện lực Tân Biên) sử dụng các kết quả phân tích ảnh hưởng của điện dẫn đất và khoảng cách sét để giải thích nguyên nhân nhảy rơle, sự cố nổ sứ do sét đánh gián tiếp, từ đó lập phương án bảo dưỡng phòng ngừa hiệu quả.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Nguồn tài liệu học thuật giá trị cao cung cấp đầy đủ công thức giải tích trường điện từ, mô hình ghép nối Agrawal và giải thuật số hiện đại RBF-FDTD, mở ra hướng nghiên cứu mở rộng cho các bài toán quá độ điện từ phức tạp.
• Các đơn vị phát triển phần mềm mô phỏng kỹ thuật điện: Các nhà phát triển công cụ tính toán có thể khai thác thuật toán tích chập số và xử lý điều kiện biên phi tuyến để nâng cấp các module mô phỏng quá áp lan truyền cho lưới điện thông minh (Smart Grid).

Câu hỏi thường gặp

Tại sao sét đánh gián tiếp lại nguy hiểm hơn sét đánh trực tiếp đối với lưới điện phân phối?

Sét đánh gián tiếp xảy ra với tần suất cao gấp 5 đến 10 lần sét đánh trực tiếp do chiều cao cột điện phân phối khá thấp (khoảng 6 m đến 12 m). Dù biên độ điện áp cảm ứng từ 50 kV đến 150 kV nhỏ hơn sét đánh thẳng, mức điện áp này vẫn dễ dàng vượt qua ngưỡng cách điện xung sét định mức (BIL 125 kV) của đường dây 22 kV, gây phóng điện diện rộng và phá hỏng thiết bị.

Phương pháp RBF-FDTD có ưu điểm gì vượt trội so với FDTD truyền thống?

Phương pháp RBF-FDTD sử dụng các hàm bán kính cơ sở để xấp xỉ trường không gian, giúp loại bỏ triệt để hiện tượng phân tán số và giảm sai số tính toán 18,4% so với FDTD cổ điển. Phương pháp cho phép giữ nguyên bước lưới $\Delta x = 5$ m mà vẫn đạt độ chính xác tương đương phần mềm chuẩn quốc tế LIOV với độ lệch dưới 2,1%, tiết kiệm đáng kể bộ nhớ và thời gian xử lý.

Độ dẫn điện của đất ($\sigma$) ảnh hưởng như thế nào đến biên độ điện áp cảm ứng?

Độ dẫn điện của đất tỷ lệ nghịch với biên độ điện trường ngang kênh sét. Tại các vùng đất cát hoặc đồi núi có độ dẫn kém ($\sigma = 0,001$ S/m đến $0,0001$ S/m), điện trường ngang tăng mạnh khiến biên độ điện áp cảm ứng trên dây dẫn tăng từ 40% đến 50,6% so với vùng đất dẫn tốt ($\sigma = 0,01$ S/m), làm tăng nguy cơ chọc thủng cách điện đường dây.

Hiệu ứng vầng quang (corona) tác động ra sao đến quá trình lan truyền sóng quá áp?

Khi biên độ sóng quá áp cảm ứng vượt qua điện áp tới hạn phát sinh vầng quang (thường trên 150 kV), lớp không khí quanh dây dẫn bị ion hóa làm tăng điện dung động của đường dây. Hiện tượng này hấp thụ một phần năng lượng sóng sét, giúp làm suy giảm biên độ đỉnh quá áp từ 8,5% đến 12,0% và kéo dài thời gian đầu sóng thêm khoảng 0,4 $\mu$s.

Mô hình ghép nối Agrawal et al. hoạt động như thế nào trong bài toán quá áp cảm ứng?

Mô hình Agrawal et al. phân tách điện áp tổng trên đường dây thành điện áp tán xạ và điện áp tới do điện trường ngoài. Mô hình biểu diễn tác động của điện trường ngang và điện trường dọc dưới dạng các nguồn điện áp và dòng điện phân bố liên tục dọc tuyến dây, giúp việc cài đặt điều kiện biên tại các nút và tích hợp phần tử phi tuyến như chống sét van trở nên thuận tiện và chính xác.

Kết luận

• Xây dựng thành công thuật toán lai RBF-FDTD trên miền thời gian kết hợp mô hình ghép nối Agrawal et al., giải quyết hiệu quả bài toán tính toán trường điện từ và quá áp cảm ứng do sét đánh gần trên lưới phân phối.
• Xác định rõ mức độ ảnh hưởng định lượng của các thông số vật lý: điện dẫn đất $\sigma = 0,001$ S/m làm tăng quá áp 50,6%, vận tốc kênh sét $v = 1,5 \times 10^8$ m/s làm tăng đỉnh xung 18,2%, và dây chống sét giúp giảm từ 28% đến 35% điện áp cảm ứng.
• Đạt độ chính xác cao với sai số dưới 2,1% so với phần mềm tiêu chuẩn quốc tế LIOV, đồng thời tối ưu hóa tốc độ xử lý trên miền thời gian mà không cần chuyển đổi Fourier ngược phức tạp.
• Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật đồng bộ gồm: bố trí chống sét van MOV cách khoảng 250 m, hạ điện trở tiếp địa $R_{td} \le 10,\Omega$, lắp dây chống sét xung yếu và tích hợp module giám sát quá áp trực tuyến.
• Định hướng mở rộng mô hình cho lưới điện phân phối không gian ba chiều (3D) có cấu trúc mạch vòng và tích hợp các nguồn điện phân tán (DG) trong giai đoạn 2026-2028.

Để nâng cao độ tin cậy vận hành và bảo vệ tối ưu hệ thống lưới điện phân phối trước hiểm họa giông sét, các đơn vị quản lý vận hành hãy liên hệ ngay với nhóm chuyên gia kỹ thuật cao áp để tiếp nhận chuyển giao mô hình tính toán RBF-FDTD và nhận tư vấn giải pháp thiết kế chống sét chuyên sâu!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu. Chương 2: Trường điện từ kênh sét. Chương 3: Tính toán điện áp cảm ứng trên đường dây truyền tải sử dụng FDTD và RBF-FDTD. Chương 4: Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số đến điện áp cảm ứng.

Chương 5: Kết luận chung và hướng phát triển luận văn. HV: Huỳnh Ngọc Trọn MSHV: 13181111 Trang 3 Chương 2: Trường điện từ kênh sét GVHD: T.S Vũ Phan Tú CHƯƠNG 2 TRƯỜNG ĐIỆN TỪ KÊNH SÉT Sét là nguồn phát ra trường điện từ chính trong tự nhiên. Việc xác định trường điện từ kênh sét là vần đề quan trọng trong việc bảo vệ cho hệ thống điện phân phối trước điện áp cảm ứng do sét gây ra. Trường điện từ kênh sét phụ thuộc vào mô hình dòng điện kênh sét.

Cho nên việc xác định mô hình dòng điện kênh sét là điểm mấu chốt trong việc xác định trường điện từ. Các quan sát thực nghiệm về quang học và trường điện từ gây ra bởi các tia sét được thực hiện từ rất lâu đến nay đã cung cấp cho chúng ta các kiến thức quan trọng về cơ chế của quá trình xả sét. Tuy nhiên, các kiến thức về sét tự nhiên không đầy đủ như các tia sét nhân tạo được tạo ra ở các phòng thí nghiệm vì chúng ta không thể quan sát các tia sét tự nhiên dưới các điều kiện được kiểm soát. Cho nên các mô hình toán để mô tả cơ chế của sét chưa thật sự tốt mặc dù các đặc điểm chính của tia sét đã được hiểu rõ.

Bất kỳ mô hình kênh sét nào cũng là một cấu trúc toán học gần đúng được đưa ra để tái tạo được 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. Trên cơ sở khái niệm và mục tiêu của các mô hình, chúng ta có thể chia các mô hình thành 4 nhóm chính như sau: + Mô hình điện - nhiệt động (Electro-Thermodynamic model).

+ Mô hình đường dây truyền tải (Transmission Line model). + Mô hình điện từ (Electromagnetic model). + Mô hình kỹ thuật (Engineering model). Trong khuôn khổ luận văn này, mô hình kỹ thuật sẽ được phân tích xem xét đến thời điểm hiện tại và qua đó lựa chọn mô hình phù hợp để tính toán trường điện từ do kênh sét gây ra.

Mô hình kỹ thuật kênh sét: Các mô hình kỹ thuật kênh sét được tạo ra từ 2 quan điểm tiếp cận cơ bản như sau: + Dòng điện kênh sét thay đổi theo không gian và thời gian, được sử dụng để tính trường điện từ. Đại lượng ngỏ ra duy nhất của mô hình là trường điện từ kênh sét có thể được so sánh với giá trị đo đạc được để đánh giá mô hình. HV: Huỳnh Ngọc Trọn MSHV: 13181111 Trang 4 Chương 2: Trường điện từ kênh sét GVHD: T.S Vũ Phan Tú + Dòng điện và tốc độ của kênh sét thay đổi theo không gian và thời gian. Các mô hình dựa trên cách tiếp cận này có thể cho ra ít nhất 2 đại lượng trong các đại lượng sau: 1.

Dòng điện đáy kênh sét. Độ biến thiên của dòng điện theo không gian và thời gian dọc kênh sét. Độ biến thiên của tốc độ kênh sét theo độ cao. Trường điện từ kênh sét.

Tổng quan các mô hình kênh sét cho đến thời gian gần đây, chúng ta có thể phân loại các mô hình kỹ thuật thành 3 nhóm như sau: A. Mô hình lan truyền dòng điện (Current Propagation Model). Mô hình kiến tạo dòng điện (Current Generation Model). Mô hình suy hao dòng điện (Current Dissipation Model).

Phần tiếp theo của chương này sẽ tổng quan các nhóm mô hình kỹ thuật kênh sét và qua đó đánh giá, lựa chon mô hình phù hợp sử dụng tính toán trường điện từ áp dụng trong luận văn. Mô hình lan truyền dòng điện: Nguyên lý cơ bản của các mô hình lan truyền dòng điện là giả sử đường dây truyền tải 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 truyền tải 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 truyền tải không tổn hao đến đám mây.

Các mô hình sét thuộc nhóm này thường được sử dụng là mô hình đường dây truyền tải của Uman and McLain (TL – Tranmission Line), mô hình đường dây truyền tải có dòng điện suy hao theo hàm mũ của Nucci và 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 lan truyền (để chuẩn bị cho kênh dẫn) HV: Huỳnh Ngọc Trọn MSHV: 13181111 Trang 5 Chương 2: Trường điện từ kênh sét GVHD: T.S Vũ Phan Tú 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: Với t ≥ z/ vf ta có: Mô Biểu thức dòng điện Mật độ dòng điện hình TL I ( z , t )  I (0, t  z / v) I (0, t  z / v)  L ( z, t )  v I ( z, t )  e z /  I (0, t  z / v) I (0, t  z / v) e  z /  t MTLE  z/ v z /   L ( z, t )  e  I (0, t  z / v)dt v z z I (0, t  z / v) 1 t I ( z, t )  (1  ) I (0, t  z / v) H z/ v MTLL  L ( z , t )  (1  )  I (0, t  z / v)dt H H v I ( z , t )  I (0, t ) I (0, t  z / v f ) BG  L ( 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 (Subsequent Stroke –SS): z1=1500m và z2=3000m, λ = 2km, v=108m/s, H = 7,5 km, vf = 108m/s. Công thức mô tả dòng điện đáy kênh sét bằng các hàm Heidler: (t /  11 ) n1 t /12 I p 2 (t /  21 ) n2 t / 22 I b (0, t )  1  2 I p1 e e (2.1) (t /  11 ) n  1 (t /  21 ) n2  1 m  e[ ( / )( n  / ) 1/ nm m1 m2 m m2 m1 Với thông số cho lần sét đánh đầu tiên (First Stroke – FS) và các lần sét đánh sau (Subsequent Stroke –SS) thường được sử dụng trong các tài liệu như sau: HV: Huỳnh Ngọc Trọn MSHV: 13181111 Trang 6 Chương 2: Trường điện từ kênh sét GVHD: T.S Vũ Phan Tú (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình II. Dạng sóng dòng điện đáy kênh sét theo hàm Heidler (I.1) (a) FS, (b) SS và dòng điện phân bố dọc kênh sét theo các mô hình (c) Mô hình TL, (d) Mô hình MLTE, (e) Mô hình MTLL, (f) Mô hình BG.

Mô hình kiến tạo dòng điện: Nguyên lý cơ bản của các mô hình kiến tạo dòng điện là kênh dẫn đã được nạp điện tích và dòng điện kênh sét được tạo ra từ một sóng điện thế mặt đất di chuyển dọc HV: Huỳnh Ngọc Trọn MSHV: 13181111 Trang 7 Chương 2: Trường điện từ kênh sét GVHD: T.S Vũ Phan Tú theo kênh dẫn từ mặt đất đến các đám mây điện tích. Đầu sóng lan truyền đến một điểm nào đó trên kênh dẫn sẽ thay đổi điện tích của điểm đó từ điện tích của đám mây thành điện tích đất gây ra sự giải phóng các điện tích ở trung tâm lõi kênh dẫn tạo ra vầng quang gây ra sự tăng dòng điện trong kênh dẫn gọi là dòng điện vầng quang. Mọi điểm trên kênh dẫn lúc này có thể xem như là một nguồn tạo ra dòng điện khi đầu kênh sét lan truyền đến điểm đó. Trong hầu hết các mô hình kênh sét thuộc nhóm này đều cho rằng tốc độ lan truyền kênh sét bằng với tốc độ ánh sáng.

Khái niệm cơ bản của mô hình kiến tạo dòng điện được Wagner giới thiệu lần đầu năm 1956. Wagner cho rằng quá trình trung hòa vỏ bao vầng quang cần một khoảng thời gian nhất định và cho nên dòng điện vầng quang sử dụng hàm mũ suy giảm để thể hiện. Hệ số suy giảm trong hàm dòng điện được gọi là hệ số suy giảm vầng quang. Tuy nhiên, Wagner cho rằng dòng điện vầng quang lan truyền với tốc độ vô cực.

Lin và đồng nghiệp giới thiệu mô hình có sự kết hợp giữa khái niệm mô hình lan truyền dòng điện và mô hình kiến tạo dòng điện. Trong mô hình này, phần dòng điện vầng quang được mô tả bằng hàm mũ kép và tốc độ lan truyền của dòng vầng quang bằng tốc độ ánh sáng. Theo sau đó, Master và đồng nghiệp đã hiệu chỉnh mô hình của Lin tuy nhiên phần khái niệm mô hình kiến tạo dòng không thay đổi. Heidler đã xây dựng mô hình của mình dựa trên nguyên lý này có dòng điện đáy kênh sét và tốc độ kênh sét là các thông số ngõ vào.