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
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

PHAN TRẦN TÍN

ÁP DỤNG MƠ HÌNH ĐƢỜNG 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


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG 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

TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-----o0o-----

-----o0o-----

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

PHAN TRẦN TÍN

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 MƠ 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 q trình tản
dịng sét.
- Tìm hiểu về mơ hình đường dây truyền tải và phương pháp sai phân hữu hạn.
- Tìm hiểu về chiều dài hiệu quả.
- Sử dụng mơ hình đường dây truyền tải khơng đồng nhất để tính tốn 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 HƢỚNG DẪN:

1. PGS. TS. Vũ Phan Tú

Tp. HCM, ngày
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

tháng

năm 2017

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

ii


TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

iii


LỜI CÁM ƠN
Để có thể hồn thành xong luận văn tốt nghiệp nhƣ ngày hôm nay tôi xin
chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả những sự giúp đỡ mà mọi ngƣời đã dành cho
tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trƣờng Đại Học Bách Khoa.

Đầu tiên tôi muốn gửi đến là lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy Vũ
Phan Tú đã tận tình, hƣớng dẫn, truyền đạt những kiến thức cũng nhƣ những kinh
nghiệm quý báu và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài của Luận Văn
Tốt Nghiệp.
Thêm nữa tôi cũng muốn gửi lời cám ơn đến các thầy cô trong Bộ Môn Điện
Điện Tử trƣờng Đại Học Bách Khoa đã chỉ bảo, hƣớng dẫn tôi trong suốt thời gian
học tập nghiên cứu tại trƣờng. Các thầy cô đã ln tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi
trong những lúc gặp khó khăn bế tắc trong suốt thời gian làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Học viên

Phan Trần Tín

vi


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
Trong luận văn này, mơ hình đường dây truyền tải khơng đồng nhất được sử dụng
để tính chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất. Kết quả tính tốn 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. Mơ hình tính tốn 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 thơng tin hữu ích cho q trình tính tốn 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.

v


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 cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Các số liệu, ví
dụ, trích dẫn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực.
Tơi xin chân thành cảm ơn.
NGƢỜI CAM ĐOAN

vii


MỤC LỤC
CHƢƠNG 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

CHƢƠNG 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

CHƢƠNG 3:

Mô hình đƣờng dây truyền tải khơng đồng nhất ............................ 7

3.1.

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

3.2.

Mơ 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.

Mơ hình đường dây truyền tải khơng đồng nhất:............................................. 12

3.3.1.

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

3.3.2.

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

CHƢƠNG 4: Phƣơng pháp FDTD áp dụng cho mơ hình đƣờng 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 mơ phỏng: ........................................................................................... 23

CHƢƠNG 5: Mơ hình đƣờng 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
viii


5.3.

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

5.3.1.

Tính tốn chiều dài hiệu quả với dịng sét trong [9]: ....................................... 36

5.3.2.

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

CHƢƠNG 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 mơ tả dạng dịng sét ................................31
Bảng 5.2 Thơng số dịng sét cho bởi tiêu chuẩn IEC 62305-1 .................................32
Bảng 5.3 Thông số của hàm Heidler dùng để mơ tả dạng dịng sét [9] ....................40
Bảng 5.4 Chiều dài hiệu quả của cọc nối đất ............................................................41
Bảng 5.5 Kết quả tính tốn chiều dài hiệu quả với dòng sét theo tiêu chuẩn IEC:...42

x


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Điện áp q độ của thanh nối đất có chiều dài lần lượt là 5 m, 10 m, 20m .2
Hình 3.1 Mơ hình đường dây truyền tải đồng nhất .....................................................7
Hình 3.2 Kết quả thu được từ phương pháp sai phân hữu hạn với mơ hình đường
dây truyền tải đồng nhất. ...........................................................................................10
Hình 3.3 Kết quả mơ phỏng bằng EMTP (nét liền), kết quả tính tốn bằng các cơng
thức giải tích ( nét đứt ---) và kết quả thí nghiệm 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 Mơ hình đường dây truyền tải khơng 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 Q điện áp tại vị trí x=0m, x=10m và x=20m trên thanh 20m thu được từ
mô hình đường dây truyền tải khơng đồng nhất .......................................................17
Hình 3.9 Điện áp quá độ của thanh nối đất có chiều dài 15 m dùng mơ hình đường
dây truyền tải khơng đồng nhất .................................................................................19
Hình 4.1 Mơ 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 dịng sét IEC
cấp I, xung đầu tiên ...................................................................................................25
Hình 4.4 Điện áp quá độ của cọc nối đất với dòng sét IEC cấp 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
xi


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 dịng 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
soil  100(m) xung sét tiếp theo ..............................................................................43

xii


CHƢƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

CHƢƠNG 1:
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Giới thiệu:

Sét là một hiện tượng tự nhiên có bản chất là sự trung hịa các điện tích trong tự
nhiên. Phóng điện sét tạo ra năng lượng cực lớn. Nên khi sét đánh vào các cơng
trình xây dựng có thể gây nên hư hỏng cho cơng trình cũng như cho các thiết bị điện
bên trong. Cơng 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 dịng sét

-

Hệ thống nối đất

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

Những điểm nổi bật:

Luận văn đã áp dụng mơ hình đường dây truyền tải khơng đồng nhất trong việc tính
tốn chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất.
Kết quả tính tốn chiều dài hiệu quả (trong một số trường hợp) đã được so sánh với

các cơng trình nghiên cứu khác.
Kết quả tính tốn về chiều dài hiệu quả được thực hiện dựa trên hai tiêu chuẩn của
dịng sét theo IEC 62305-1
Kết quả tính tốn 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)
1


CHƢƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

Bán kính thanh : 7.5 (mm)
Độ chôn sâu của thanh : 0,5 (m)
Điện trở suất của thanh : e  0, 25 106 (.m)
Điện trở suất của đất : s  100(.m)
Độ thẩm điện tỷ đối của đất :  r  50
Dòng sét is (t )  12935(e190099t  e2922879t )( A)
Sử dụng mơ 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 Điện áp quá độ của thanh nối đất có chiều dài lần lƣợt là 5 m, 10 m, 20m
Theo hình trên ta có nhận xét rằng:
Với dòng sét đã cho khi thay đổi chiều dài thanh nối đất từ 5m lên 10m thì điện áp
quá độ tối đa trên thanh nối đất giảm xuống từ 240 kV xuống còn 152 kV. Nhưng
khi 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 nối đất đến một

2


CHƢƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

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
cơng 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


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

CHƢƠNG 2:
2.1.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu về hiện tƣợng phóng điện sét

Sét có bản chất là sự phóng tia lửa điện trong khơng khí với khoảng cách rất lớn.
Q trình phóng điện sét trong khơng khí có bản chất tương tự như q 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 q trình phóng điện giữa
các mây dơng và mặt đất vì q trình này gây ra thiệt hại lớn đến tính mạng, tài sản
của con người.
2.2.

Các nghiên cứu về sét:

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 ln 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 dịng 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 dịng 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.
2.3.

Các nghiên cứu về hệ thống nối đất:

Các nghiên cứu về hệ thống nối đất tập trung vào:
4


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

 Mơ hình hóa dịng sét đầu vào

 Mơ hình hóa đất và cấu trúc hình học của hệ thống nối đất để tính
tốn 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 thơng số như điện áp q độ, dịng
điện q độ…
Các nghiên cứu về mơ hình hóa dịng sét đầu vào dựa trên kết quả thực nghiệm đo
đạc được sau đó dùng các hàm tốn học để mơ tả lại dịng sét được trình bày trong
[8] và [9].
Các nghiên cứu về mơ hình hóa hệ thống nối đất bắt đầu với cơng trình quan trọng
của Sunde [2]. Trong đó ơng đã dùng các phương trình của trường điện từ để giải
thích, tính tốn các thơng số của đất và của thanh như điện trở, điện dẫn, điện cảm
và điện dung. Cơng 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 tốn các thơng số q 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 khơng thể áp dụng
được. Khi cơng nghệ thơng tin phát triển, các nghiên cứu về nối đất chuyển sang mơ
hình hóa trên máy tính. Các mơ hình tính tốn điện áp q độ bao gồm:
 Mơ hình mạch điện
 Mơ hình trường điện từ
 Mơ hình lai
 Mơ hình đường dây truyền tải.
Các kết quả tính tốn từ các mơ hình trên được so sánh với kết quả thực nghiệm
[10] để xác định sai số, từ đó cải tiến sao cho mơ hình tính tốn có thể chính xác
hơn.
2.4.

Chiều dài hiệu quả:

Trong q trình tản dịng 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
5


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

không giảm. Lorentzou, Hatziargyriou đã dùng mơ hình đường dây truyền tải và
cơng thức giải tích để chứng minh điều đó [1]. Gupta và Thapar đã dùng mơ hình
mạch để tính ra chiều dài hiệu quả và dùng kết quả tính tốn 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 tốn chiều dài hiệu quả của thanh nối đất [4]. Leonid
Grcev phát triển mơ 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 tơi dùng mơ hình đường dây truyền tải khơng đồng nhất
để tính tốn chiều dài hiệu quả của điện cực nối đất. Mơ hình đường dây truyền tải
khơng đồng nhất được phát triển từ mơ 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 q trình ion hóa [7]. Kết quả xác định chiều dài
hiệu quả được so sánh với kết quả của các cơng trình nghiên cứu khác. Kết quả xác
định chiều dài hiệu quả được đưa ra dựa trên mơ hình dịng sét trong [8].

6


CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHƠNG ĐỒNG NHẤT

CHƢƠNG 3:

MƠ HÌNH ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHƠNG
ĐỒNG NHẤT

Giới thiệu:

3.1.

Mơ hình đường dây truyền tải là một trong những mơ hình dùng để tính tốn các
hiện tượng q độ. Mơ hình đường dây truyền tải dựa trên mơ hình trường điện từ.
Các thơng số trong mơ hình đường dây truyền tải được tính tốn từ các thơng số
trong mơ hình trường điện từ. Các thông số mạch quy đổi của mơ 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 mơ hình mạch.
Mơ hình đƣờng dây truyền tải đồng nhất

3.2.

3.2.1. Cơ sở lý thuyết:
Mơ hình thanh nối đất và đất được quy đổi thành một mạch điện với các thơng 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.
V(x,t)

V(x,t)

l

V(x,t)

r

c

g

V(x,t)

l

l

r

c

g

c

g

V(x,t)

r

c

g

Load

Hình 3.1 Mơ hình đƣờng dây truyền tải đồng nhất

Phương trình đường dây truyền tải cho mơ hình đồng nhất:
V ( x, t )
I ( x, t )
 re .I ( x, t )  l.

t
I ( x, t )
V ( x, t )

 g.V ( x, t )  c.
x
t


Với

re : điện trở của thanh tính trên một đơn vị chiều dài
l : 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

(3.1)


CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHƠNG ĐỒNG NHẤT

Các thông số trên 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:
re 

e
2 a 2

(3.2)

Nếu coi đất là một mơi trường đồng nhất thì các thơng số l, g, c được tính như sau:


g



 soil ln


c

2lc

 1
2ad 

 soil

2lc
ln
1

2ad
 
2lc

l  0 ln
 1
 
2ad 

(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 khơng khí nên khi dùng các cơng thức trên có thể khơng chính
xác. Để quyết vấn đề này ta có thể dùng ngun tắc ảnh điện để tính tốn bổ sung
ảnh hưởng do phản xạ sóng gây ra và có được cơng thức tính tốn như sau:
g

2


 soil  ln




2lc   soil   air  2lc  
 1 
.  ln
 1 
a

  soil   air  2d  


  2lc
  2ad

 
  1
 
2 soil
c
 2lc   soil   air  2lc 
 1 
.  ln
 1
 ln
 a
  soil   air  2d 
  2l

l  0 ln c  1
2  a


 soil ln 

Trong đó:
 soil

: là điện trở suất của đất

lc

: là chiều dài của điện cực nối đất
8

(3.4)


CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHƠNG ĐỒNG NHẤT

a

: là bán kính thanh nối đất

 soil và  air : là điện dẫn suất của đất và điện dẫn suất của khơng khí

d

: độ chơn sâu của thanh nối đất

 soil và  air : là độ thẩm điện tỷ đối của đất và khơng khí

So sánh cơng thức (3.3) và (3.4) ta nhận thấy trong công thức (3.4) có xét đến các
thành phần  soil và  air ,  soil và  air . Vì (3.4) có xét đến  soil và  air ,  soil và  air nên
(3.4) là cơng thức tính tốn điện trở, điện cảm, điện dung cho môi trường không
đồng nhất. Môi trường không đồng nhất ở đây được hiểu là mơi trường có đất và
khơng khí.
Các cơng thức (3.3) và (3.4) được tính tốn 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 tơi 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 dịng
khác nhau hay có điện áp khác nhau. Muốn xem xét hiện tượng tương hỗ khi các
phân đoạn có dịng điện và điện áp khác nhau ta cần cải tiến mơ 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 mơ phỏng quá độ
của thanh nối đất:
Các thông số mô phỏng như sau:
Dòng sét: is (t) = 1,55227(e-3640t – e-652210t ) (A) (τds = 7 s )
Chiều dài thanh: 100 (m)
Bán kính thanh: 1.5 (mm)
Điện trở suất của thanh: ρt = 0,25.10-6 (Ω.m)
Độ chôn sâu của thanh: 0,6 (m)
9


CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHƠNG ĐỒNG NHẤT

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

Hình 3.2 Kết quả thu đƣợc từ phƣơng pháp sai phân hữu hạn với mơ hình đƣờng
dây truyền tải đồng nhất.

Hình 3.3 Kết quả mơ phỏng bằng EMTP (nét liền), kết quả tính tốn bằng các cơng

thức giải tích ( nét đứt ---) và kết quả thí nghiệm thực tế (nét o o o)
Nhận xét :
Từ kết quả mô phỏng dùng mơ hình đường dây truyền tải đồng nhất so sánh với kết
quả mô phỏng bằng phần mềm EMTP, kết quả tính tốn bằng cơng thức giải tích và
kết quả thực tế [12]. Ta nhận thấy rằng kết quả mô phỏng thanh nối đất dùng mơ
hình đường dây truyền tải đồng nhất và phương pháp FDTD phù hợp với kết quả
10


CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHƠNG ĐỒNG NHẤT

đưa ra bằng phần mềm EMTP và kết quả thu được từ thực nghiệm. EMTP (ElectroMagnetic Transients Program) là phần mềm mơ phỏng đáp ứng q độ dùng mơ
hình đường dây truyền tải đồng nhất.
Mô phỏng 2:
Thực hiện mô phỏng với các tham số mơ phỏng sau:
Dịng sét khảo sát: is (t )  110433.(e7924t  e400109t ) (A)
Chiều dài thanh nối đất: l=20 (m)
Bán kính thanh nối đất: a=7.5 (mm)
Điện trở suất của thanh nối đất: ρe=0.25x10-6 (Ω.m)
Độ chôn sâu của thanh nối đất: d=0.5 (m)
Điện trở suất của đất: ρs=100 (Ω.m)
Độ thẩm điện tỷ đối của đất: εr=50
Kết quả quan sát tại vị trí đầu vào của thanh nối đất x=0
Kết quả mơ phỏng dựa trên mơ hình đồng nhất:

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


CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KHƠNG ĐỒNG NHẤT

Nhận xét: Khi dịng sét chậm (độ dốc đầu sóng thấp) đi vào hệ thống nối đất thì
điện áp quá độ tối đa trên thanh 20m và 100m là bằng nhau.
Mơ hình đƣờng dây truyền tải khơng đồng nhất:

3.3.

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

V(x,t)

L(x,t)

V(x,t)

r
C(x,t)

G(x,t)

I(x,t)

V(x,t)

I(x,t)
L(x,t)

V(x,t)

L(x,t) V(x,t)

r
C(x,t)

G(x,t)

C(x,t)

G(x,t)

r
C(x,t)

Load

G(x,t)

IS

Hình 3.5 Mơ hình đƣờng dây truyền tải khơng đồng nhất
Ta có phương trình đường dây dài:
V ( x, t )
I ( x, t )
 re I ( x, t )  l ( x, t )


t
I ( x, t )
V ( x, t )

 g ( x, t )V ( x, t )  c( x, t )
x
t


(3.5)

Các thông số của phương trình được tính như sau:
Điện trở của thanh được tính bằng cơng thức:
re 

e
2 a 2

(3.6)

a : là bán kính của thanh
 e : 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