Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ TRUNG HIẾU

PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN
TRONG TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 7 0 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ TRUNG HIẾU

PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN TRONG TÍNH TOÁN
QUÁ ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG NỐI ĐẤT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: LÊ TRUNG HIẾU

- Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 17/02/1976

- Nơi sinh: Bến Tre

Quê quán: Giồng Trôm, Bến Tre

- Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Trƣờng Cao Đẳng Nghề Trà Vinh
Điện thoại cơ quan:

- Điện thoại nhà riêng: 0919186867

Fax:

- E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng:

Hệ đào tạo: Chính quy

- Thời gian đào tạo: 09/1995 – 09/1998

Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM
Ngành học: Điện khí hóa & Cung cấp điện
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

- Thời gian đào tạo từ 10/2000 đến 10/2002.

Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
Ngành học: Điện Khí Hóa – Cung Cấp Điện.
Năm tốt nghiệp: 2003
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Từ 10/1998 đến 10/2000

Thành phố HCM

Từ 06/2003 đến 09/2004 Công ty Cổ Phần In Bến Tre
Từ 09/2004 đến 09/2008
Từ 12/2008 đến nay

Công ty Cổ Phần Bƣu Chính
Viễn Thông Sài Gòn(SPT)

Trƣờng Cao Đẳng Nghề Trà
Vinh

i

Công việc đảm nhiệm
Lắp đặt điện, nƣớc công
trình dân dụng
Bảo trì điện
Nhân viên kỹ thuật

Giáo viên


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 10 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

ii


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết xin chân thành kính trọng và biết ơn sâu sắc quý Thầy, Cô giảng viên

trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí
Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong toàn
khóa học.
Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS. Hồ Văn Nhật Chƣơng, ngƣời
đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp
và giúp tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn.
Xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn ở bên tôi ủng hộ, động viên cho tôi
trong quá trình thực hiện luận văn.
Với thời gian có hạn, việc thực hiện luận văn này chắc chắn không tránh khỏi
những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến quý báu của quý Thầy, Cô
và các bạn để luận văn này hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
Ngƣời thực hiện

LÊ TRUNG HIẾU

iii


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

TÓM TẮT
Hiện tƣợng quá điện áp đã ảnh hƣởng trực tiếp đến lƣới điện, thiết bị điện trên
hệ thống nối đất. Vì vậy để hệ thống nối đất, lƣới, thiết bị điện đƣợc an toàn, bảo đảm
tính mạng ngƣời, tài sản, ta cần phải tìm phƣơng pháp tốt nhất để tính toán quá điện áp
trên hệ thống nối đất một cách hiệu quả, đáng tin cậy nhất.
Có nhiều phƣơng pháp tiếp cận để tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất
nhƣ: cách tiếp cận mạch điện, trƣờng điện từ, theo mô hình đƣờng dây truyền
tải,…hoặc là dùng các phƣơng pháp số nhƣ phƣơng pháp phần tử hữu hạn, phƣơng

pháp sai phân hữu hạn.
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn hay các phƣơng pháp tiếp cận để tính toán quá
điện áp thì khó thực hiện và phức tạp. Trong luận văn này ngƣời viết sẽ dùng phƣơng
pháp sai phân hữu hạn để tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất. Với phƣơng pháp
này thì việc thực hiện đơn giản hơn các phƣơng pháp khác và cho ra kết quả tin cậy.
Trong nội dung này luận văn đƣợc chia làm 5 chƣơng, bao gồm:
 Chƣơng 1: Tổng quan
 Chƣơng 2: Tổng quát về quá điện áp trên hệ thống nối đất
 Chƣơng 3: Phƣơng pháp sai phân hữu hạn
 Chƣơng 4: Kết quả tính toán quá điện áp trên hệ thống nối đất bằng phƣơng
pháp sai phân hữu hạn
 Chƣơng 5: Kết quả khảo sát tổng trở xung kích trên hệ thống nối đất bằng
phƣơng pháp sai phân hữu hạn
 Chƣơng 6: Kết luận

iv


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

ABSTRACT
Overvoltage phenomenon directly affects the power grid, electrical equipment on the
grounding system. Therefore, in order to be safe for the grounding system, power grid
and electrical equipment, ensure the lives and property, we need to find the best
method to calculate the voltage on grounding system most effectively and reliably.
There are many approaches to calculate the voltage on grounding system such as
electrical circuit approach, electromagnetic fields, transmission line model ... or using
the method of finite element method, finite difference method.
The finite element method or approach to calculate the voltage is difficult and
complex. In this thesis, the writer will use finite difference method to calculate the

voltage of the grounding system. With this method, the implementation is simpler than
other methods and produces reliable results.
In this context the thesis is divided into five chapters, including:
• Chapter 1: Overview
• Chapter 2: Overview of the system voltage on grounding system
• Chapter 3: Finite difference method
• Chapter 4: Calculation results of overvoltage on grounding system using finite
difference method
• Chapter 5: Results of the survey total return shock on grounding system with finite
difference method
• Chapter 6: Conclusion

v


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

MỤC LỤC
Chƣơng 1 ......................................................................................................................... 1
TỔNG QUAN ................................................................................................................. 1
1.1. Tổng quan đề tài ....................................................................................................... 1
1.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 2
1.3. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................................... 2
1.4. Điểm mới của luận văn ............................................................................................ 3
1.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ....................................................................... 3
TỔNG QUÁT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN ..................................................................... 5
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT ................................................................................................... 5
2.1. Quá điện áp khí quyển.............................................................................................. 5
2.1.1. Biên độ d ng s t và xác suất xuất hiện của nó...................................................... 7
2.1.2. Độ dốc đầu sóng d ng điện s t và xác suất xuất hiện của nó ............................... 9

2.1.3 Cƣờng độ hoạt động của s t ................................................................................. 10
2.1.4 Cực tính của s t .................................................................................................... 11
2.2. Quá điện áp nội bộ ................................................................................................. 11
2.2.1. Phân loại quá điện áp nội bộ ............................................................................... 11
2.2.2 Vấn đề nối đất điểm trung tính của hệ thống điện ............................................... 13
2.3. Quá điện áp cộng hƣởng ........................................................................................ 15
2.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống nối đất khi tản d ng điện sét ........................ 16
2.4.1. Khái niệm về nối đất ........................................................................................... 16
2.4.2. Điện trở tản xung của dạng nối đất tập trung ...................................................... 20
2.4.3. Điện trở xung của nối đất kéo dài khi bỏ qua hiện tƣợng ion hóa trong đất....... 20
2.4.4. Điện trở xung của nối đất k o dài khi có quá trình phóng điện trong đất........... 21
2.5. Tổng quan về mô hình nối đất và các phƣơng pháp số .......................................... 21
2.5.1. Sơ lƣợc về hƣớng tiếp cận mô hình tính toán hệ thống nối đất thu sét ............... 21
2.5.2. Cách tiếp cận mạch điện ..................................................................................... 23
2.5.3. Cách tiếp cận trƣờng điện từ ............................................................................... 23
2.5.4. Cách tiếp cận hỗn hợp ......................................................................................... 24
2.5.5. Cách tiếp cận đƣờng dây truyền tải ..................................................................... 24

vi


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

2.6. Giới thiệu các phƣơng pháp số phổ biến hiện nay ................................................. 25
2.6.1. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn ............................................................................ 25
2.6.2. Phƣơng pháp sai phân hữu hạn ........................................................................... 27
2.7. Hƣớng nghiên cứu của đề tài ................................................................................. 27
Chƣơng 3 ....................................................................................................................... 29
PHƢƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN .................................................................... 29
3.1. Những khái niệm sử dụng trong phuơng pháp sai phân hữu hạn .......................... 29

3.1.1. Hệ thống các đại lƣợng chuẩn Gauss .................................................................. 29
3.1.2. Điều kiện biên ..................................................................................................... 29
3.1.3. Hệ phƣơng trình Maxwell ................................................................................... 29
3.2. Sóng điện từ lan truyền trong không gian theo thời gian bằng phƣơng pháp sai
phân hữu hạn ................................................................................................................. 30
3.2.1. Sóng điện từ trong không gian tự do với điều kiện biên hấp thụ tuyệt đối ......... 32
3.2.2. Sóng điện từ trong môi trƣờng điện môi lý tƣởng .............................................. 33
3.2.3. Sóng điện từ trong môi trƣờng điện môi có tổn hao ........................................... 34
3.3. Áp dụng phƣơng pháp sai phân hữu hạn để tính toán quá điện áp trong hệ thống
nối đất. ........................................................................................................................... 35
3.3.1. Phƣơng pháp sai phân hữu hạn ........................................................................... 35
3.3.2. Mô hình đƣờng dây truyền tải trong hệ thống nối đất ........................................ 36
3.3.3. Áp dụng phƣơng pháp sai hữu hạn để tính trên mô hình tƣơng đƣơng của thanh
nối đất ............................................................................................................................ 36
3.3.4. Áp dụng phƣơng pháp sai phân vào thanh nối đất .............................................. 38
3.3.5. Cách tính điện áp, d ng điện trên thanh dẫn chôn dƣới đất khi x t đến hiện
tƣợng ion hóa trong đất. ................................................................................................ 40
3.3.6. Cách xác định d ng điện tản ............................................................................... 41
3.3.7. Cách tính điện trở tản xung của hệ thống nối đất ............................................... 41
3.3.8. Mối liên hệ tại giữa điện áp thanh và điện áp của hệ thống lƣới nối đất. ........... 42
3.3.9. Thuật giải tổng quát cho thanh nối đất ................................................................ 43
Chƣơng 4 ....................................................................................................................... 44
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN ......................................................... 44
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP........................................................ 44
SAI PHÂN HỮU HẠN ................................................................................................. 44

vii


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

4.1. Kết quả khảo sát quá điện áp ở các điểm vị trí trên thanh ..................................... 44
4.1.1. Kết quả khảo sát thanh l = 100m với các giá trị đầu, giữa và cuối thanh .......... 44
4.1.2. Kết quả khảo sát quá điện áp trên các thanh nối đất với chiều dài l =10; 30; 60;
90; 120m........................................................................................................................ 45
4.1.3. Kết quả khảo sát quá điện áp đầu thanh nối đất khi thay đổi bán kính thanh là r
=15mm; độ chôn sâu d=0.8m. ....................................................................................... 50
4.2. Kết quả khảo sát quá điện áp trên thanh khi thay đổi giá điện trở suất đất ........... 55
4.2.1. Kết quả khảo sát quá điện áp tại đầu thanh l = 10m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400,
500Ωm ........................................................................................................................... 55
4.2.2. Điện áp tại x=0 khi thanh l = 30m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm .......... 60
4.2.3. Khảo sát quá điện áp tại đầu thanh khi thanh l = 60m, ρđ =50, 100, 200, 300,
400, 500Ωm ................................................................................................................... 63
4.2.4. Điện áp tại x=0 khi thanh l = 90m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm .......... 67
4.2.5. Điện áp tại x=0 khi thanh l = 120m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm ........ 72
Chƣơng 5 ....................................................................................................................... 77
KẾT QUẢ KHẢO SÁT TỔNG TRỞ XUNG KÍCH TRÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
BẰNG PHƢƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN ....................................................... 77
5.1. Kết quả khảo sát tổng trở xung kích cho thanh nối đất với chiều dài l =10; 30; 60;
90; 120m thay đổi giá trị điện trở suất của thanh .......................................................... 77
5.1.1. Kết quả khảo sát tổng trở xung kích tại đầu thanh l = 10m, khi ρđ =50, 100, 200,
300, 400, 500Ωm ........................................................................................................... 77
5.1.4. Tổng trở tại x=0 khi thanh l = 90m, ρđ =50, 100, 200, 300, 400, 500Ωm ........ 84
5.1.5. Kết quả khảo sát tổng trở xung tại đầu thanh l = 120m, ρđ =50, 100, 200, 300,
400, 500Ωm ................................................................................................................... 85
5.2. Kết quả khảo sát tổng trở xung cho thanh nối đất ứng với ρđ = 50Ωm khi thay đổi
chiều dài l =10; 30; 60; 90; 120m ................................................................................. 86
5.3. Ảnh hƣởng của các dạng sóng lên trên tổng trở xung của các thanh nối đât ......... 90
5.3.1. Dạng sóng i =( e-t/T1-e-t/T2) .................................................................................. 91
5.3.2. Dạng sóng i =1(t) khi t ≥ 0 .................................................................................. 91

at(0  t   ds )
......................................................................... 92
1(t   ds )

5.3.3. Dạng sóng i  

5.3.4. Dạng sóng i =e-t/T ............................................................................................... 93

viii


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

 A.t (0  t   ds )

5.3.5. Dạng sóng i =  Bt  C ( ds  t  T ) ...................................................................... 94
0(t  T )


5.3.6. Tổng hợp tổng trở xung tại các giá trị d ng điện i =( e-t/T1-e-t/T2); i =1(t); .......... 94
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 97
T I LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 98
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 101

ix


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2. 1 S t đánh trên đƣờng dây tải điện ..................................................................... 6
Hình 2. 2 Quá điện áp khí quyển xảy ra trên hệ thống điện ........................................... 6
Hình 2. 3 Dạng d ng điện s t .......................................................................................... 7
Hình 2. 4 Xác suất phân bố d ng điện s t có biên độ bằng và lớn hơn is ...................... 8
Hình 2. 5 Đƣờng cong xác suất độ dốc đầu sóng d ng s t ............................................ 9
Hình 2. 6 Các dạng sóng tính toán d ng điện s t .......................................................... 10
Hình 2. 7 Chạm đất một pha trong lƣới có trung tính nối đất trực tiếp ........................ 14
Hình 2. 8 Hình ảnh tổng thể của nối đất hệ thống điện................................................. 17
Hình 2. 9 Thanh và cọc nối đất gh p lại với nhau ........................................................ 17
Hình 2. 10 Cọc đƣợc đóng cách mặt đất một khoảng sâu............................................. 18
Hình 2. 11 Cọc nối đất .................................................................................................. 18
Hình 2. 12 Nối đất làm việc .......................................................................................... 19
Hình 2. 13 Nối đất an toàn ............................................................................................ 19
Hình 2. 14 Nối đất chống sét ......................................................................................... 20
Hình 3. 1 Mô hình tính toán Ex, Hy các giá trị trong PP SPHH .................................... 31
Hình 3. 2 Mô hình phân đoạn của đƣờng dây truyền tải............................................... 37
Hình 3. 3 Điện áp, d ng điện trên thanh dẫn ................................................................ 40
Hình 3. 4 Biểu diễn xác định d ng điện tản .................................................................. 41
Hình 4. 1 Kết quả thu đƣợc khi l=100m ứng với các giá trị x = 0; 50; 100m .............. 44
Hình 4. 2 Kết quả thu đƣợc khi l = 10m tại đầu, giữa và cuối thanh ............................ 46
Hình 4. 3 Kết quả thu đƣợc khi l = 30m tại đầu, giữa và cuối thanh ............................ 47
Hình 4. 4 Kết quả thu đƣợc khi l = 60m tại đầu, giữa và cuối thanh ............................ 48
Hình 4. 5 Kết quả thu đƣợc khi l = 90m tại đầu, giữa và cuối thanh ............................ 48
Hình 4. 6 Kết quả thu đƣợc khi l = 120m tại đầu, giữa và cuối thanh .......................... 49
Hình 4. 7 Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l = 10; 30;60;90;120m ........................... 50
Hình 4. 8 Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l=10m..................................................... 51
Hình 4. 9 Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l=30m..................................................... 52
Hình 4. 10 Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l=60m................................................... 52

x


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

Hình 4. 11 Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l = 90m................................................. 53
Hình 4. 12 Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l=120m................................................. 53
Hình 4. 13 Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l=10;30;60;90;120m ............................ 54
Hình 4. 14 Kết quả khảo sát thanh l=10m, ρđ =50 Ωm ................................................. 55
Hình 4. 15 Kết quả thu đƣợc tại thanh l=10m; ρđ =100 Ωm ......................................... 56
Hình 4. 16 Kết quả thu đƣợc thanh 10m; ρđ =200 Ωm.................................................. 57
Hình 4. 17 Kết quả thu đƣợc thanh 10m; ρđ =300 Ωm.................................................. 57
Hình 4. 18 Kết quả thu đƣợc thanh l=10m; ρđ =400 Ωm .............................................. 58
Hình 4. 19 Kết quả thu đƣợc thanh l = 10m; ρđ =500 Ωm ............................................ 58
Hình 4. 20 Tổng hợp kết quả thanh l=10m; ρđ =50;100; 200;300;400; 500Ωm ........... 59
Hình 4. 21 Kết quả thu đƣợc thanh l = 30m; ρđ =300 Ωm ............................................ 60
Hình 4. 22 Kết quả thu đƣợc thanh l=30; ρđ = 100 Ωm ................................................ 60
Hình 4. 23 Kết quả thu đƣợc thanh l=30m; ρđ =200 Ωm .............................................. 61
Hình 4. 24 Kết quả thu đƣợc thanh l=10m; ρđ =300 Ωm .............................................. 61
Hình 4. 25 Kết quả thu đƣợc thanh l = 30m; ρđ =400 Ωm ............................................ 62
Hình 4. 26 Kết quả thu đƣợc thanh l = 30m; ρđ =500 Ωm ............................................ 62
Hình 4. 27 Kết quả thu đƣợc thanh l = 30m; ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm .......... 63
Hình 4. 28 Kết quả thu đƣợc thanh l =60m, ρđ =50 Ωm ............................................... 64
Hình 4. 29 Kết quả thu đƣợc thanh l=60m; ρđ =100 Ωm .............................................. 64
Hình 4. 30 Kết quả thu đƣợc thanh l = 60m; ρđ =200 Ωm ............................................ 65
Hình 4. 31 Kết quả thu đƣợc thanh l=60m; ρđ =300 Ωm .............................................. 65
Hình 4. 32 Kết quả thu đƣợc thanh l =60m, ρđ =400 Ωm ............................................. 66
Hình 4. 33 Kết quả thu đƣợc thanh l =60m, ρđ =500 Ωm ............................................. 66
Hình 4. 34 Tổng hợp kết quả thanh l =60m khi ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm ...... 67
Hình 4. 35 Kết quả thu đƣợc thanh l =90m, ρđ =50 Ωm ............................................... 68

Hình 4. 36 Kết quả thu đƣợc thanh l =90m, ρđ =100 Ωm ............................................. 68
Hình 4. 37 Kết quả thu đƣợc thanh l =90m, ρđ =200 Ωm ............................................. 69
Hình 4. 38 Kết quả thu đƣợc thanh l =90m, ρđ =300 Ωm ............................................. 69
Hình 4. 39 Kết quả thu đƣợc thanh l =90m, ρđ =400 Ωm ............................................. 70

xi


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

Hình 4. 40 Kết quả thu đƣợc thanh l =90m, ρđ =500 Ωm ............................................. 70
Hình 4. 41 Kết quả thu đƣợc thanh l =90m, ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm............ 71
Hình 4. 42 Kết quả thu đƣợc thanh l =120m, ρđ =50 Ωm ............................................. 72
Hình 4. 43 Kết quả thu đƣợc thanh l =120m, ρđ =100 Ωm ........................................... 73
Hình 4. 44 Kết quả thu đƣợc thanh l =120m, ρđ =200 Ωm ........................................... 73
Hình 4. 45 Kết quả thu đƣợc thanh l =120m, ρđ =300 Ωm ........................................... 74
Hình 4. 46 Kết quả thu đƣợc thanh l =120m, ρđ =400 Ωm ........................................... 74
Hình 4. 47 Kết quả thu đƣợc thanh l =120m, ρđ =500 Ωm ........................................... 75
Hình 4. 48 Kết quả thu đƣợc thanh l =120m, ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm.......... 75
Hình 5. 1 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh x=0, l =10m, ρđ =50 Ωm ............................. 78
Hình 5. 2 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =10m, ρđ =100 Ωm ................................... 79
Hình 5. 3 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =10m, ρđ =200 Ωm ................................... 80
Hình 5. 4 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =10m, ρđ =300 Ωm ................................... 80
Hình 5. 5 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =10m, ρđ =400 Ωm ................................... 81
Hình 5. 6 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh x=0, l =10m, ρđ =500 Ωm ........................... 82
Hình 5. 7 Kết quả thu đƣợc tại x=0, l =10m, ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm .......... 82
Hình 5. 8 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =30m, ρđ =50;100;200;300;400 Ωm ......... 83
Hình 5. 9 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =60m, ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm .. 84
Hình 5. 10 Kết quả thu đƣợc tại x=0, l =90m, ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm ........ 84
Hình 5. 11 Kết quả thu đƣợc tại x=0, l =120m, ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm ...... 85

Hình 5. 12 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =10m, ρđ =50 Ωm ................................... 86
Hình 5. 13 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =30m, ρđ =50 Ωm ................................... 87
Hình 5. 14 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =60m, ρđ =50 Ωm ................................... 88
Hình 5. 15 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =90m, ρđ =50 Ωm ................................... 88
Hình 5. 16 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh l =120m, ρđ =50 Ωm ................................. 89
Hình 5. 17 Kết quả thu đƣợc tại đầu các thanh l =10;30;60;90;120m, ρđ =50 Ωm....... 90
Hình 5. 18 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh khi dòng sét i =( e-t/T1-e-t/T2) ..................... 91
Hình 5. 19 Kết quả thu đƣợc đầu thanh l = 60m, khi i =1(t) khi t ≥ 0 ......................... 91

xii


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

at(0  t   ds )
..................................... 92
1(t   ds )

Hình 5. 20 Kết quả thu đƣợc tại x=0 khi i  

Hình 5. 21 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh khi i =e-t/T .................................................. 93
 A.t (0  t   ds )

Hình 5. 22 Kết quả thu đƣợc tại đầu thanh khi i =  Bt  C ( ds  t  T ) ......................... 94
0(t  T )


Hình 5. 23 Kết quả thu đƣợc tại x=0 tại các d ng điện khác nhau ............................... 95

xiii

Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan đề tài
Hệ thống nối đất là một phần tử quan trọng trong hệ thống điện bởi vì nó tạo
nên sự an toàn cho con ngƣời, đảm bảo vận hành của mạng điện và đảm bảo tản
dòng sét vào trong đất. Chính vì thế mà khi thiết kế hệ thống nối đất, một trong
những vấn đề cần đƣợc quan tâm là tính toán thiết kế tối ƣu và đáp ứng quá điện áp
trên lƣới nối đất. Rất nhiều tiếp cận cho bài toán này nhƣ phƣơng pháp giải tích,
phần tử hữu hạn, phƣơng pháp Moment…
Một hệ thống nối đất đẳng thế là một khái niệm lý thuyết trong trƣờng hợp
t nh điện (lý tƣởng), trong những trƣờng hợp thực tế, sự cảm ứng điện từ tạo ra một
hiệu điện thế giữa hai điểm sẽ có giá trị lớn hơn 0 điện áp đặt tại một vùng sẽ có giá
trị khác nhau. Khi có hiện tƣợng nhiễu điện xảy ra sẽ làm cho các thiết bị trong hệ
thống bị hƣ hỏng hay hoạt động sai chức năng.
Một trong những nguyên nhân gây ra quá điện áp chính là sự phóng điện từ
s t, đóng cắt tải, ngắn mạch do chạm đất,…Quá điện áp gây ra các sự cố cho thiết bị
điện, hệ thống nối đất công trình, tính mạng của con ngƣời.
Để hạn chế những tổn thất trên đến mức tối thiểu gây ra quá điện áp thì cần
phải có thiết bị thu s t, hệ thống nối đất tốt. Một khi có chế độ chống quá điện áp,
thì hệ thống nối đất chống quá điện áp phải hiệu quả để đảm bảo tản nhanh d ng
quá độ xuống đất và tránh phóng ngƣợc lại các công trình cần bảo vệ.
Điện trở tản và điện áp lan truyền trên hệ thống nối đất là hai yêu cầu cơ bản
nhất để đánh giá đƣợc độ an toàn của hệ thống nối đất.
Đối với hệ thống nối đất tập trung, điện trở tản xung và quá điện áp gây ra
bởi d ng s t có thể đƣợc dự đoán thông qua các công thức giải tích khá chính xác.

Tuy nhiên đối với hệ thống nối đất k o dài việc dự đoán quá điện áp gây ra bởi
d ng s t lại gặp nhiều khó khăn.

1


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

Do đó, để có thể khảo sát đƣợc sự lan truyền của quá điện áp trong các hệ
thống nối đất một cách nhanh chóng và hiệu quả, ngƣời ta đã sử dụng các phƣơng
pháp số để tìm ra những lời giải có thể chấp nhận đƣợc.
Mục đích của chuyên đề này là ứng dụng phƣơng pháp sai phân hữu hạn tính
toán quá điện áp trong hệ thống nối đất. Các loại quá điện áp ảnh hƣởng đến hệ
thống nối đất nhƣ quá điện áp khí quyển, quá điện áp nội bộ, quá điện áp cộng
hƣởng.
Hiện tƣợng quá điện áp đã ảnh hƣởng trực tiếp đến lƣới điện, thiết bị điện,
hệ thống nối đất. Vì vậy để hệ thống nối đất, lƣới, thiết bị điện đƣợc an toàn, bảo
đảm tính mạng ngƣời, tài sản, ta cần phải tìm phƣơng pháp để tính toán quá điện áp
hệ thống nối đất một cách hiệu quả nhất. Đó là cách thức tốt nhất để thiết kế lƣới
nối đất an toàn cho thiết bị, con ngƣời.
1.2. Nội dung nghiên cứu
Luận văn “ Phƣơng pháp sai phân hữu hạn trong tính quá điện áp hệ thống
nối đất”, có các nội dung sau
- Xây dựng phƣơng trình sai phân hữu hạn để mô phỏng sóng điện từ
- Áp dụng phƣơng pháp sai phân hữu hạn cho bài toán quá độ lƣới nối đất.
- Dùng phần mềm Matlab R2014a viết chƣơng trình tính toán quá độ trong
hệ thống nối đất.
1.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của máy tính, các thiết bị
công nghệ cao, con ngƣời đã tạo ra những phần mềm mô phỏng với sự hỗ trợ của

các ph p tính, đã giúp cho việc nghiên cứu các phƣơng số với khả năng tính toán
nhanh và chính xác cao.
Hai phƣơng pháp số hiện này thƣờng đƣợc sử dụng để giải bài toán quá độ là
phƣơng pháp sai phân hữu hạn và phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Mỗi phƣơng pháp
có ƣu điểm, nhƣợc điểm riêng. Tùy theo trƣờng hợp mà có thể sử dụng một cách
hiệu quả nhất.

2


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

Ở luận văn này phƣơng pháp số đƣợc sử dụng để tính quá điện áp trong hệ
thống nối đất là phƣơng pháp sai phân hữu hạn. Vì phƣơng pháp này dễ sử dụng
hơn phƣơng pháp phần tử hữu hạn, đồng thời hiệu quả đạt đƣợc cũng rất cao.
1.4. Điểm mới của luận văn
- Xây dựng phƣơng trình quá độ của hệ thống nối đất trong dạng phƣơng
trình sai phân.
- Áp dụng phƣơng pháp sai phân để giải bài toán quá độ.
- Ứng dụng phần mềm mô phỏng Matlab để giải bài toán quá độ.
- Tính toán, khảo sát quá điện áp tại các điểm khác nhau trên thanh nối đất.
- Tính toán, khảo sát tổng trở xung kích và tổng trở xoay chiều(ổn định) trên
thanh nối đất.
- Vẽ đồ thị các kết quả khảo sát quá điện áp, tổng trở xung kích khi thay đổi
các giá trị thông số ban đầu.
1.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc

Vũ Phan Tú , Nguyễn Nhật Nam, Huỳnh Văn Vạn, Huỳnh Quốc Việt
Tạp chí khoa học công nghệ số K1 2010 -Mô phỏng điện áp quá độ s t trong
hệ thống nối đất bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn.

Hồ Đức Huấn - Ứng dụng mô hình đƣờng dây truyền tải và phƣơng pháp sai
phân hữu hạn vào nghiên cứu quá độ hệ thống nối đất, Thƣ viện ĐH Bách khoa
TPHCM.
Mohammad E.M. Rizk*, Ebrahim A. Badran, and Mansour H. AbdelRahman, FDTD Calculation of Transient Electromagnetic Fields in the Grounding
System of Wind Towers Due to Direct Lightning Strikes.
Các bài báo đều sử dụng các phƣơng pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn
để khảo sát quá độ cho hệ thống nối đất.
Ở bài báo mô phỏng quá độ s t trong hệ thống nối đất bằng phƣơng pháp
phần tử hữu hạn thì chỉ khảo sát quá điện áp khi thay đổi chiều dài thanh dẫn.
Luận văn “Ứng dụng mô hình đƣờng dây truyền tải và phƣơng pháp sai phân
hữu hạn vào nghiên cứu quá độ hệ thống nối đất” thì tác giả chƣa khảo sát sự thay

3


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

đổi giá trị điện trở suất của các loại đất khác nhau và cũng chƣa khảo sát điện trở
xung kích trên các thanh dẫn.
Bài báo “FDTD Calculation of Transient Electromagnetic Fields in the
Grounding System of Wind Towers Due to Direct Lightning Strikes’’ chỉ khảo sát
giá sự thay đổi điện trở suất và bán kính thanh, không thay đổi giá trị chiều dài
thanh.
Các bài báo chỉ ra rằng các phƣơng pháp áp dụng tính quá độ hệ thống nối
đất đều đạt kết quả nhƣ mong muốn. Tuy nhiên do khuôn khổ của bài báo, luận văn
có giới hạn nên các tác giả chƣa khảo sát hết sự thay đổi các giá trị của các thông số
trên thanh nối đất. Chính vì điều này luận văn “Phƣơng pháp sai phân hữu hạn trong
tính toán quá điện áp hệ thống nối đất” sẽ khảo sát sự thay đổi giá trị điện trở suất
của đất, bán kính thanh, chiều dài thanh. Đồng thời cũng khảo sát điện trở xung
kích trên thanh nối đất, mối liên hệ giữa thanh và lƣới nối đất. Tác giả cũng khảo sát

các dạng sóng khác nhau nhƣ sóng vuông, sóng tam giác, hàm mũ,… để so sánh
với dạng sóng chuẩn là hiệu 2 hàm mũ. Kết quá tính toán bằng phƣơng pháp sai
phân hữu hạn sẽ đƣợc trình bày ở các chƣơng tiếp theo.

4


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

Chƣơng 2

TỔNG QUÁT VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT
2.1. Quá điện áp h quyển
S t thực chất là một dạng phóng tia lửa điện trong không khí với khoảng
cách rất lớn[1]. Chiều dài trung bình của khe s t khoảng 3 – 5 km, phần lớn chiều
dài đó phát triển trong đám mây dông.
Quá điện áp khí quyển do nguyên nhân sét giữa các đám mây giông và mặt
đất gây nên. Cũng nhƣ bất cứ một kích động điện từ nào của hệ thống điện, phóng
điện s t gây nên sóng điện từ tỏa xung quanh với tốc độ rất lớn. Sóng điện từ xuất
phát từ nơi s t đánh truyền dọc theo đƣờng dây tải điện, gây nên quá điện áp tác
dụng lên cách điện của các thiết bị nối vào đƣờng dây, nhƣ thiết bị, khí cụ điện, hệ
thống nối đất.
Trƣờng hợp s t đánh trực tiếp vào dây dẫn của đƣờng dây thì trị số quá điện
áp tùy thuộc vào dòng sét, có thể dẫn đến hàng triệu, chục triệu volt, vƣợt quá nhiều
lần mức cách điện xung của cách điện đƣờng dây ở bất cứ cấp điện áp nào.
Trƣờng hợp s t đánh gần đƣờng dây, gây ra quá điện áp cảm ứng có biên độ
tƣơng đối bé, cao nhất vài trăm ngàn volt. Nên thực tế chỉ nguy hiểm đối với cách
điện đƣờng dây có điện áp từ 35kV trở xuống.
Các tham số chủ yếu của s t bao gồm

- Biên độ d ng điện s t với xác suất xuất hiện của nó
- Độ dốc đầu sóng d ng điện s t hoặc thời gian đầu sóng τds với xác suất xuất
hiện của nó.
- Độ dài sóng d ng điện s t τs
- Cực tính d ng điện s t
Ngoài ra phải biết cƣờng độ hoạt động trung bình của s t, tức là số ngày có
dông s t trung bình hoặc tổng số giờ có dông s t trung bình trong một năm ở mỗi

5


Phương pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

khu vực lãnh thổ và mật độ trung bình của s t trong khu vực đó, tức là số lần s t
đánh vào một đơn vị diện tích mặt đất (1km2) trong một ngày s t

Hình 2. 1 S t đánh trên đƣờng dây tải điện

Hình 2. 2 Quá điện áp khí quyển xảy ra trên hệ thống điện

6


S

K

L

0

0

2

1

5

4