Ứng dụng mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất cho việc xác định chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------- -----------------------------------------------------------------------

PHAN TRẦN TÍN

ÁP DỤNG MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI
KHÔNG ĐỒNG NHẤT CHO VIỆC XÁC ĐỊNH
CHIỀU DÀI HIỆU QUẢ CỦA ĐIỆN CỰC NỐI ĐẤT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số:
60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2017


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Vũ Phan Tú
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2:
Cán bộ chấm nhận xét 1: ........................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ........................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày..........tháng .... năm 2017.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1 ...................................................................
2 ...................................................................

3 ........................................................................
4 ........................................................................
5 ........................................................................

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

PHAN TRẦN TÍN
Họ tên học viên:
Ngày, tháng, năm sinh: 08/11/1988
Chuyên ngành:

Kỹ Thuật Điện

MSHV:
13180520
Nơi sinh: Nha Trang
Mã số:

60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
ÁP DỤNG MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐỒNG NHẤT
CHO VIỆC XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀI HIỆU QUẢ CỦA ĐIỆN CỰC NỐI ĐẤT
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về hiện tượng quá độ của của điện cực nối đất trong quá trình tản dòng sét.
- Tìm hiểu về mô hình đường dây truyền tải và phương pháp sai phân hữu hạn.
- Tìm hiểu về chiều dài hiệu quả.
- Sử dụng mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất để tính toán chiều dài hiệu
quả của điện cực nối đất.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

01/1/2017

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

10/5/2017

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

1. PGS. TS. Vũ Phan Tú

Tp. HCM, ngày tháng năm 2017
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

11


LỜI CÁM ƠN
Để có thể hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp như ngày hôm nay tôi xin chân thành
gửi lời cảm ơn đến tất cả những sự giúp đỡ mà mọi người đã dành cho tôi trong suốt thời
gian học tập, nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa.
Đầu tiên tôi muốn gửi đến là lời cảm ơn chân thành sâu sẳc đến thầy Vũ Phan Tú đã
tận tình, hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức cũng như những kỉnh nghiệm quý báu và
giúp đỡ tôi trong suốt quá trĩnh thực hiện đề tài của Luận Văn Tất Nghiệp.
Thêm nữa tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Bộ Môn Điện Điện
Tử trường Đại Học Bách Khoa đã chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt thời gian học tập nghiên
cứu tại trường. Các thầy cô đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong những lúc gặp khó
khăn bế tẳc trong suốt thời gian làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Học viên

Phan Trần Tín

VI


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
Trong luận văn này, mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất được sử dụng để tính
chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất. Kết quả tính toán cho các trường hợp cơ bản của
điện cực nối đất được so sánh với các kết quả nghiên cứu của các nghiên cứu trước đó. Mô
hình tính toán chiều dài hiệu quả sau đó được dùng để tính chiều dài hiệu quả của điện cực
nối đất với dòng sét được cho theo tiêu chuẩn IEC. Kết quả thu được cung cấp thông tin hữu

ích cho quá trình tính toán thiết kế điện cực nối đất.

IV


ABSTRACT

In this thesis, the non-uniform transmission line model is used to calculate the effective
length of grounding electrode . The results in this thesis are compared with the results in the
other research papers. The non-uniform transmission line model is used to calculate the
effective length of electrodes in case of IEC lightning standard. The estimated results
provide useful information for calculating and design grounding electrode.

5


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu trong
luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các số liệu, ví dụ, trích dẫn
đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
NGƯỜI CAM ĐOAN

vii


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: Đặt vấn Đề ................................................................................................ 1
1.1.

Giới thiệu:............................................................................................................. 1

1.2.

Những điểm nổi bật: ............................................................................................. 1

1.3.

Chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất ............................................................. 1

CHƯƠNG 2: Tổng quan nghiên cứu ...........................................................................4
2.1.

Tìm hiểu về hiện tượng phóng điện sét ................................................................ 4

2.2.

Các nghiên cứu về sét: ......................................................................................... 4

2.3.

Các nghiên cứu về hệ thống nối đất: .................................................................... 4

2.4.

Chiều dài hiệu quả: ............................................................................................... 5

CHƯƠNG 3: Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất .................................. 7
3.1.

Giới thiệu:............................................................................................................. 7

3.2.

Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất ............................................................. 7

3.2.1.

Cơ sở lý thuyết: .................................................................................................... 7

3.2.2.

Kết quả mô phỏng ................................................................................................ 9

3.3.

Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất: ............................................... 12

3.3.1.

Cơ sở lý thuyết: .................................................................................................. 12

3.3.2.

Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 16

CHƯƠNG 4: Phuong pháp FDTD áp dụng cho mô hình đường dây truyền tải ....... ..
........................................ . .......................... .. ........................................... 21
4.1.

Giới thiệu về phương trình đường dây truyền tải: .............................................. 21

4.2.

Áp dụng phương pháp FDTD cho phương trình đường dây truyền tải: ............ 21

4.3.

Kết quả mô phỏng: ............................................................................................. 23

CHƯƠNG 5: Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất cho xác định
chiều dài hiệu quả của điện cực.................................................................................... 28
5.1.

Cơ sở lý thuyết ...................................................................................................28

5.2.

Dạng dòng sét đầu vào: ...................................................................................... 30

8


5.3.

Tính toán chiều dài hiệu quả của cọc nối đất: .................................................... 36

5.3.1.

Tính toán chiều dài hiệu quả với dòng sét trong [9]: ......................................... 36

5.3.2.

Tính toán chiều dài cọc nối đất với dòng sét theo tiêu chuẩn IEC: .................... 42

CHƯƠNG 6: Kết Luận ................................................................................................. 45
6.1.

Kết luận: ............................................................................................................. 45

6.2.

Hướng phát triển của đề tài: ............................................................................... 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 46

IX


DANH MỤC BẢNG
Bảng 5.1 Thông số hàm Heidler dùng để mô tả dạng dòng sét .................................. 31
Bảng 5.2 Thông số dòng sét cho bởi tiêu chuẩn IEC 62305-1 .................................. 32
Bảng 5.3 Thông số của hàm Heidler dùng để mô tả dạng dòng sét [9] ...................... 40
Bảng 5.4 Chiều dài hiệu quả của cọc nối đất .............................................................. 41
Bảng 5.5 Kết quả tính toán chiều dài hiệu quả với dòng sét theo tiêu chuẩn IEC:.„42

IX


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Điện áp quá độ của thanh nối đất có chiều dài lần lượt là 5 m, 10 m, 20m,2
Hình 3.1 Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất ....................................................... 7
Hình 3.2 Ket quả thu được từ phương pháp sai phân hữu hạn với mô hình đường dây
truyền tải đồng nhất ..................................................................................................... 10
Hình 3.3 Kết quả mô phỏng bằng EMTP (nét liền), kết quả tính toán bằng các công thức
giải tích ( nét đứt —) và kết quả thí nghiêm thực tế (nét o o o) .................................. 10
Hình 3.4 Điện áp quá độ của thanh 20 m, 100 m (mô hình đồng nhất) ...................... 11
Hình 3.5 Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất .......................................... 12
Hình 3.6 Minh họa thanh nối đất 20 m, 100 m ............................................................ 16
Hình 3.7 Quá trình thay đổi thông số trên đơn vị dài (L, c và G) ở phân đoạn đầu tiên
của thanh nối đất dài 20 m ........................................................................................... 17
Hình 3.8 Quá điện áp tại vị trí x=0m, x=10m và x=20m trên thanh 20m thu được từ mô
hình đường dây truyền tải không đồng nhất ................................................................ 17
Hình 3.9 Điện áp quá độ của thanh nối đất có chiều dài 15 m dùng mô hình đường dây
truyền tải không đồng nhất .......................................................................................... 19
Hình 4.1 Mô hình đường dây truyền tải dùng trong phương pháp FDTD .................. 21
Hình 4.2 Điện áp quá độ của cọc nối đất với dòng sét IEC cấp I, xung đầu tiên ....... 24
Hình 4.3 Điện áp quá độ tối đa ứng với từng trường hợp chiều dài với dòng sét IEC cấp
I, xung đầu tiên ............................................................................................................ 25
Hình 4.4 Điện áp quá độ của cọc nối đất với dòng sét IEC cap I, xung tiếp theo ....26
Hình 4.5 Điện áp quá độ tối đa của cọc nối đất ứng với từng trường hợp chiều dài
với dòng sét IEC cấp I, xung tiếp theo ........................................................................ 27
Hình 5.1 Minh họa xung sét thứ nhất và xung tiếp theo bằng hàm Heidler ................ 31
Hình 5.2 Minh họa xung sét thứ nhất và xung tiếp theo theo tiêu chuẩn chống sét cấp 1
của IEC ........................................................................................................................ 33
Hình 5.3 So sánh xung sét đầu tiên khi dùng hàm mũ và hàm Heidler ....................... 34

IX

Hình 5.4 So sánh xung sét tiếp theo của sét khi dùng hàm Heidler và hàm mũ......... 35
Hình 5.5 So sánh phần đầu sóng của xung sét tiếp theo khi dùng hàm Heidler và hàm
mũ ................................................................................................................................ 36
Hình 5.6 Điện áp quá độ của cọc nối đất ứng với chiều dài cọc 5m, 10m, 15m, 20m với
dòng sét IEC cấp 1, xung đầu tiên ............................................................................... 37
Hình 5.7 Điện áp quá độ tối đa của cọc nối đất ứng với từng trường hợp chiều dài cọc
..................................................................................................................................... 38
Hình 5.8 Điện áp quá độ của cọc nối đất ứng với chiều dài cọc 5m, 10m, 15m, 20m với
dòng sét IEC cấp 1, xung tiếp theo .............................................................................. 39
Hình 5.9 Điện áp quá độ tối đa ứng với từng trường hợp chiều dài cọc ..................... 40
Hình 5.10 Minh họa xung sét đầu tiên và xung sét tiếp theo theo hàm Heidler ......... 41
Hình 5.11 Mô phỏng điện áp quá độ cọc nối đất trong trường hợp cọc nối đất với psoiỉ =
100(fìm)xung sét tiếp theo ........................................................................................... 43

xii


CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỂ

CHƯƠNG 1:
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Giới thiệu:

Sét là một hiện tượng tự nhiên có bản chất là sự trung hòa các điện tích trong tự nhiên.
Phóng điện sét tạo ra năng lượng cực lớn. Nên khi sét đánh vào các công trình xây dựng
có thể gây nên hư hỏng cho công trình cũng như cho các thiết bị điện bên trong. Công
trình càng có nhiều thiết bị điện, điện tử tinh vi thì yêu cầu chống sét lại càng cao vì các

thiết bị điện tử tinh vi có rất nhiều linh kiện bán dẫn. Các linh kiện bán dẫn này cực kỳ
nhạy cảm với quá điện áp. Quá điện áp gây ra do sét có điện áp quá độ lớn nên đặt ra
yêu cầu về giảm quá điện áp bằng các hệ thống chống sét.
Hệ thống chống sét bao gồm nhiều hệ thống như:
-

Hệ thống cột thu sét

-

Hệ thống dây dẫn dòng sét

-

Hệ thống nối đất

Trong đó, hệ thống nối đất có vai trò tản dòng dòng sét vào đất, làm giảm điện áp quá
độ nên có vai trò quan trọng trong hệ thống chống sét.
1.2.

Những điểm nổi bật:

Luận văn đã áp dụng mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất trong việc tính toán
chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất.
Kết quả tính toán chiều dài hiệu quả (trong một số trường hợp) đã được so sánh với các
công trình nghiên cứu khác.
Kết quả tính toán về chiều dài hiệu quả được thực hiện dựa trên hai tiêu chuẩn của dòng
sét theo IEC 62305-1
Kết quả tính toán có thể dùng để tham khảo khi thiết kế các cọc nối đất.
1.3.

Chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất

Để hiểu hơn về chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất ta xem xét ví dụ sau:
Cho thanh nối đất có chiều dài lần lượt là : 5, 10, 20 (m)


CHƯƠNG ỉ: ĐẶT VẤN ĐẺ

Bán kính thanh: 7.5 (mm)
Độ chôn sâu của thanh: 0,5 (m)
Điện trở suất của thanh : pe = 0,25xl0^(Q?ra)
Điện trở suất của đất: ps = 100(ílm)
Độ thẩm điện tỷ đối của đất: sr = 50
Dòng sét Ợ0 = 12935(^190099í-e_2922879/)(Ấ)
Sử dụng mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất kết hợp với phương pháp
FDTD ta có kết quả thu được của điện áp quá độ như sau:

Hình 1.1 Đỉện ảp quá độ của thanh nối đất có chiều dài lần lượt là 5 m, 10 m, 20m
Theo hình trên ta cố nhận xét rằng:
Với dòng sét đã cho khỉ thay đổi chiều dài thanh nổi đất từ 5m ỉên 10m thì điện áp quá
độ tối đa trên thanh nối đất giảm xuống từ 240 kV xuống còn 152 kV. Nhưng khỉ tăng
chiều dài từ 10m lên 20m thì điện áp quá độ tối đa trên thanh nối đất vẫn là 152 kv. Từ
đó, ta rút ra kết luận rằng khi tăng chiều dài điện cực nổi đất đến một
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỂ

2


giới hạn nhất định thì dù có tăng thêm chiều dài điện cực nối đất thì điện áp quá độ

trên điện cực nối đất vẫn không giảm. Điều này gây ra sự lãng phí khi thiết kế, thi
công các điện cực nối đất. Từ đó đặt ra yêu cầu tìm ra chiều dài hiệu quả để từ đó có
thể giảm lãng phí khi thiết kế các điện cực nối đất.

3


CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN NGHIÊN cửu

CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN NGHIÊN cứu

Tìm hiểu về hiện tượng phóng điện sét

2.1.

Sét có bản chất là sự phóng tia lửa điện ửong không khí với khoảng cách rất lớn. Quá
trình phóng điện sét trong không khí có bản chất tương tự như quá trình phóng tia lửa
điện trong điện trường rất không đồng nhất. Điện trường gây ra phóng điện được tạo ra
bởi các khối điện tích lớn, tập trung trong các đám mây và giữa các đám mây với nhau.
Trên thực tế, người ta chỉ quan tâm đến quá trình phóng điện giữa các mây dông và mặt
đất vì quá trình này gây ra thiệt hại lớn đến tính mạng, tài sản của con người.
Các nghiên cứu về sét:

2.2.

Phóng điện sét tạo ra lượng năng lượng cực lớn gây thiệt hại đến tính mạng và tài sản
của con người. Vì vậy, con người luôn muốn tìm ra các biện pháp để làm giảm thiệt hại
do sét gây ra. Hiện nay, dù trình độ khoa học đã phát triển nhưng con người vẫn chưa

thể thu được năng lượng từ sét và sử dụng. Các nghiên cứu hiện nay mới chỉ tập trung
vào việc thu được sét và tản dòng sét sao cho nhanh, hiệu quả, ít gây nguy hiểm lên con
người và máy móc thiết bị.
Với mong muốn giảm thiệt hại dòng sét con người đã tạo ra hệ thống chống sét. Hệ
thống chống sét bao gồm nhiều thành phần như:
Hệ thống kim thu sét
Hệ thống dẫn dòng sét
Hệ thống nối đất
Hệ thống chống sét lan truyền ...
Trong đó hệ thống nối đất là hệ thống quan trọng có nhiệm vụ tản dòng sét vào đất. Khi
hệ thống nối đất hoạt động hiệu quả sẽ làm giảm điện áp quá độ. Điện áp quá độ giảm
về mức chịu đựng được của cách điện của thiết bị sẽ không gây ra hư hỏng thiết bị và
nguy hiểm đến tính mạng con người.
Các nghiên cứu về hệ thống nối đất:

2.3.

Các nghiên cứu về hệ thống nối đất tập trung vào:
•

MÔ hình hóa dòng sét đầu vào

• Mô hình hóa đất và cấu trúc hình học của hệ thống nối đất để tính toán
4


CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN NGHIÊN cửu

các thông số của đất như điện trở, điện dẫn, điện dung, điện cảm của đất
và điện cực nối đất.

• Phương pháp tính để tìm ra các thông số như điện áp quá độ, dòng điện
quá độ...
Các nghiên cứu về mô hình hóa dòng sét đầu vào dựa trên kết quả thực nghiêm đo đạc
được sau đó dùng các hàm toán học để mô tả lại dòng sét được trình bày trong [8] và
[9],
Các nghiên cứu về mô hình hóa hệ thống nối đất bắt đầu với công trình quan trọng của
Sunde [2]. Trong đó ông đã dùng các phương trình của trường điện từ để giải thích, tính
toán các thông số của đất và của thanh như điện trở, điện dẫn, điện cảm và điện dung.
Công trình này đã đặt nền tảng cho sự phát triển sau này của các nghiên cứu về hệ thống
nối đất.
Các nghiên cứu về tính toán các thông số quá độ của hệ thống nối đất trước đây được
tính bằng phương pháp giải tích. Phương pháp giải tích có ưu điểm là chính xác nhưng
khi áp dụng cho hệ thống nối đất lớn và phức tạp thì không thể áp dụng được. Khi công
nghệ thông tin phát triển, các nghiên cứu về nối đất chuyển sang mô hình hóa trên máy
tính. Các mô hình tính toán điện áp quá độ bao gồm:
•

Mô hình mạch điện

•

Mô hình trường điện từ

•

Mô hình lai

•

Mô hình đường dây truyền tải.

Các kết quả tính toán từ các mô hình trên được so sánh với kết quả thực nghiệm [10] để
xác định sai số, từ đó cải tiến sao cho mô hình tính toán có thể chính xác hơn.
2.4.

Chiều dài hiệu quả:

Trong quá trình tản dòng sét, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng khi tăng chiều dài của
điện cực nối đất vượt qua một giới hạn nhất định thì điện áp quá độ tối đa không giảm.
Lorentzou, Hatziargyriou đã dùng mô hình đường dây truyền tải và công thức giải tích
để chứng minh điều đó [1]. Gupta và Thapar đã dùng mô hình mạch để tính ra chiều dài
hiệu quả và dùng kết quả tính toán được so sánh với thực nghiệm [3], Jinliang He, et al.
sử dụng mô hình đường dây truyền tải có xét đến hiện tượng ion hóa để tính toán chiều
5


CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN NGHIÊN cửu

dài hiệu quả của thanh nối đất [4], Leonid Grcev phát triển mô hình trường điện từ trong
miền tần số để nâng cao độ chính xác trong việc xác định chiều dài hiệu quả [5],
Trong luận văn này, chúng tôi dùng mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất để
tính toán chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất. Mô hình đường dây truyền tải không
đồng nhất được phát triển từ mô hình đường dây truyền tải đồng nhất bởi Yaquing Liu
[6], Hiện tượng ion hóa trong đất bị bỏ qua bởi sự phức tạp của hiện tượng trễ và hiệu
ứng bề mặt trong quá trình ion hóa [7], Kết quả xác định chiều dài hiệu quả được so
sánh với kết quả của các công trình nghiên cứu khác. Kết quả xác định chiều dài hiệu
quả được đưa ra dựa trên mô hình dòng sét trong [8],

6

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐƯỜNG DẦY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐÔNG NHẤT

CHƯƠNG 3:

MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHÔNG
ĐỒNG NHẤT

3.1.

Giói thiệu:

Mô hình đường dây truyền tải là một trong những mô hình dùng để tính toán các hiện
tượng quá độ. Mô hình đường dây truyền tải dựa trên mô hình trường điện từ. Các thông
số trong mô hình đường dây truyền tải được tính toán từ các thông số trong mô hình trường
điện từ. Các thông số mạch quy đổi của mô hình đường dây truyền tải được quy đổi từ thực
tế và trên một phạm vi nhỏ nên có độ chính xác cao hơn so với mô hình mạch.
3.2.

Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất

3.2.1. Cơ sở lý thuyết:
Mô hình thanh nối đất và đất được quy đổi thành một mạch điện với các thông số rải như
hình 3.1. Các thông số điện trở, điện cảm, điện dung được quy đổi sau khi chia thanh nối
đất thành các phân đoạn nhỏ.

Hình 3.1 Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất
Phương trình đường dây truyền tải cho mô hình đồng nhất:
avu,() = |.;U()+iata0

õx

Õt

Với re: điện ttở của thanh tính trên một đơn vị chiều dài
1: điện cảm của thanh tính trên một đơn vị chiều dài g : điện dẫn của thanh tính
trên một đơn vị chiều dài c: điện dẫn của thanh tính trên một đơn vị chiều dài

7


CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐƯỜNG DẦY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐÔNG NHẤT

Các thông số hên một đơn vị chiều dài được tính bằng cách tính tổng điện dẫn, điện
cảm, điện dung của thanh rồi chia cho chiều dài thanh để được thông số trên một đơn vị
chiều dài.
Điện trở của thanh nối đất được tính như sau:
Pe
2jĩa2

r=
e

(3.2)

Nếu coi đất là một môi trường đồng nhất thì các thông số 1, g, c được tính như sau:

(3.3)

Nhưng đất không phải là một môi trường đồng nhất mà là môi trường với một nửa là

đất và một nửa là không khí nên khi dùng các công thức trên có thể không chính xác.
Để quyết vấn đề này ta có thể dùng nguyên tắc ảnh điện để tính toán bổ sung
ảnh hưởng do phản xạ sóng gây ra và có được công thức tính toán như sau:
2ĩĩ
k 2d ).

\a)
JI

(3.4)
_____________________2ỉĩ£soil_________________________

f ln^ - lì + £soil - £°ir .f In 1^- - li k
a)
{ 2d I

Trong đó:
psoil : là điện ttở suất của đất
lc : là chiều dài của điện cực nối đất a : là bán kính thanh nối đất
ơ„a và ơ;ur: là điện dẫn suất của đất và điện dẫn suất của không khí d : độ chôn sâu của
8


CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐƯỜNG DẦY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐÔNG NHẤT

thanh nối đất
esoil và : là độ thẩm điện tỷ đối của đất và không khí
So sánh công thức (3.3) và (3.4) ta nhận thấy trong công thức (3.4) có xét đến các thành
phần crjoiỉvà Ssoil và s^. Vì (3.4) có xét đến ơJ0,7và ơair, Ssoil và ^nên (3.4) là công thức tính
toán điện trở, điện cảm, điện dung cho môi trường không đồng nhất. Môi trường không

đồng nhất ở đây được hiểu là môi trường có đất và không khí.
Các công thức (3.3) và (3.4) được tính toán bằng cách tính tổng điện trở, điện cảm, điện
dẫn và điện dung trên toàn bộ thanh nối đất sau đó chia đều cho các phân đoạn của thanh
nối đất. Từ cách tính này, chúng tôi nhận thấy rằng hệ số tương hỗ của các phân đoạn lên
các phân đoạn còn lại bằng nhau và bằng 1, cách xem xét này chưa tính đến sự khác nhau
của hiện tượng tương hỗ khi các phân đoạn mang dòng khác nhau hay có điện áp khác
nhau. Muốn xem xét hiện tượng tương hỗ khi các phân đoạn có dòng điện và điện áp khác
nhau ta cần cải tiến mô hình đường dây truyền tải sao cho có thể tính đến ảnh hưởng tương
hỗ khác nhau giữa các phân đoạn khi các phân đoạn mang dòng điện và điện áp khác nhau.
3.2.2. Kết quả mô phỏng
Mô phỏng 1: Dùng mô hình đường dây truyền tải đồng nhất để mô phỏng quá độ của thanh
nối đất:
Các thông số mô phỏng như sau:
Dòng sét: is (t) = ỉ,55221 (ế3640t- e 6522101) (A) (rds= 7 ps )
Chiều dài thanh: 100 (m)
Bán kính thanh: 1.5 (mm)
Điện trở suất của thanh: Pt = 0,25.10'6 (ĩì.m)
Độ chôn sâu của thanh: 0,6 (m)

9


CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐƯỜNG DẦY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐÔNG NHẤT

Điện trở suất của đất: Pd = 20 (íì.m)
Độ thẩm điện tương đối của đất: Er = 80
Kết quả quan sát tại các vị trí cách đầu thanh (nơi sét truyền vào) X = 0; X = 2m; X =
10m :

Hĩnh 3.2 Kết quả thu được từ phương pháp sai phân hữu hạn với mô hình đường

dây truyền tải đồng nhẩt.
o *"11

Hình 3.3 Kết quả mô phỏng bằng EMTP (nét liền), kết quả tính toán bằng các công
thức giải tích (nét đứt —) và kết quả thí nghiêm thực tế (nét o o o)
Nhận xét:
Từ kết quả mô phỏng dùng mô hình đường dây truyền tải đồng nhất so sánh với kết
quả mô phỏng bằng phần mềm EMTP, kết quả tính toán bằng công thức giải tích và
kết quả thực tế [12], Ta nhận thấy rằng kết quả mô phỏng thanh nối đất dùng mô hình
đường dây truyền tải đồng nhất và phương pháp FDTD phù hợp với kết quả

10


CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐƯỜNG DẦY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐÔNG NHẤT

đưa ra bằng phần mềm EMTP và kết quả thu được từ thực nghiệm. EMTP (ElectroMagnetic Transients Program) là phần mềm mô phỏng đáp ứng quá độ dùng mô hình
đường dây truyền tải đồng nhất.
Mô phỏng 2:
Thực hiện mô phỏng với các tham số mô phỏng sau:
Dòng sét khảo sát: is(t) = 110433.(e~192At -e"™109') (A)
Chiều dài thanh nối đất: 1=20 (m)
Bán kính thanh nối đất: a=7.5 (mm)
Điện trở suất của thanh nối đất: pe=0.25xl0'6 (Í2.m)
Độ chôn sâu của thanh nối đất: d=0.5 (m)
Điện trở suất của đất: ps=100 (Í2.m)
Độ thẩm điện tỷ đối của đất: Er=50
Kết quả quan sát tại vị trí đầu vào của thanh nối đất x=0
Kết quả mô phỏng dựa trên mô hình đồng nhất:

Hình 3.4 Điện áp quả độ của thanh 20 m, 100 m (mô hình đồng nhất)
11


CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐƯỜNG DẦY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐÔNG NHẤT

Nhận xét: Khi dòng sét chậm (độ dốc đầu sóng thấp) đi vào hệ thống nối đất thì điện
áp quá độ tối đa trên thanh 20m và ÍOOm là bằng nhau.
3.3.

Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhất:

Mô hình đường dây truyền tải đồng nhất không thể hiện được quá trình thay đổi thông
số mạch trong mô hình nên về bản chất thì mô hình đường dây truyền tải đồng nhất chưa
thể hiện chính xác quá trình quá độ của các thông số mạch trong quá trình quá độ. Từ
đó đặt ra yêu cầu cải tiến mô hình đường dây truyền tải đồng nhất để thể hiện chính xác
hơn quá trình quá độ.
3.3.1. Cơ sở lý thuyết:
v(x,t)

l(x,t)
!(x,t)
—*
L(x,t) v(x,t) ------------ ► L(x,t) V(x,t)

Hĩnh 3.5 Mô hình đường dây truyền tải không đồng nhẩt
Ta có phương trình đường dây dài:
õV(x,t) T/„

, ,,

- ỠZ(x,0

x

(3.5)

x

õl(x,t) ,
- õV(x,t)
---- T2— = g(x,t)V(x,t) + c(x,t)—T2—
dx
dt
Các thông số của phương trình được tính như sau:
Điện trở của thanh được tính bằng công thức: a : là bán kính của thanh
pr : là điện trở của thanh dẫn
Các thông số khác của đất như điện cảm, điện trở, điện dung được tính dựa trên lý thuyết
trường điện từ và nguyên lý ảnh điện.
Sau khi chia thanh nối đất ra thành n phân đoạn, ta thiết lập ma trận thông số điện cho tất
cả các phân đoạn.

12


CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐƯỜNG DẦY TRUYỀN TẢI KHÔNG ĐÔNG NHẤT

^21

R=

7^2
??22

Rm 'Pn Pn ...
^21

7*22

Rin'

A

R

nn
Pin'
Pin

p=

(3.7)
Pn2 -

Pnn.

A2 ...

kn'

7^22

I'm

Ln2 ...

L

L=

A

nn_

Các thành phần ửong ma trận điện ửở của đất được tính theo công thức sau:
Trong suốt quá trình quá độ của thanh nối đất thông số điện cảm, điện dẫn, điện dung của

(3.8)

bản thân phân đoạn không thay đổi. Nhưng các thông số điện cảm, điện dẫn, điện dung
tương hỗ giữa các phân đoạn sẽ thay đổi theo thời gian dựa trên dòng điện và điện áp. Để
tính được sự thay đổi các điện dẫn, điện cảm, điện dung tương hỗ giữa các phân đoạn càn
phải lập được các ma trận với các phần tử thể hiện được các thông số của bản thân phân
đoạn cũng như các thông số tương hỗ giữa các phân đoạn với nhau. Khi đó, ma trận điện
cảm, điện dung, điện dẫn của thanh nối đất không còn là ma trận 1 hàng, n cột với các phần
tử giống nhau nữa mà là một ma trận với n hàng và n cột. Ma trận điện cảm, điện dẫn, điện
dung với các phần tử trên đường chéo là thông số điện cảm, điện dẫn, điện dung của bản
thân phân đoạn, các thông số bên ngoài đường chéo là điện cảm, điện dẫn, điện dung tương
hỗ giữa các phân đoạn.
Trong quá trình quá độ của điện cực nối đất, điện cảm, điện dẫn, điện dung của bản thân

phân đoạn không thay đổi theo thời gian nhưng điện cảm, điện dẫn, điện dung giữa các
13