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

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.

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.