Tài liệu MÔ PHỎNG LƯỚI NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT TRẠM BIẾN ÁP doc

MÔ PHỎNG LƯỚI NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT
TRẠM BIẾN ÁP
Nguyễn Xuân Cường, Trần Văn Tớp
Bộ môn hệ thống điện, Khoa Điện,Trường ĐHBKHNi
TÓM TẮT
Dưới sự biến thiên rất nhanh của dòng điện sét, thành phần điện cảm có ảnh hưởng rất lớn
đến sự phân bố điện áp trên hệ thống nối đất, hơn nữa có thể xảy ra hiện tượng phóng điện trong
đất và ảnh hưởng tương hỗ giữa các thanh dẫn làm cho quá trình tính toán và mô phỏng hệ thống
đất gặp nhiều khó khăn. Transmission Line Modeling (TLM) là một phương pháp có thể mô phỏng
được quá trình quá độ và các hiện tượng xảy ra trong hệ thống nối đất phức tạp của trạm biến áp
(nối đất dạng lưới). Trong bài báo này xin được giới thiệu về lý thuyết TLM và ứng dụng để mô
phỏng lưới nối đất chống sét của các trạm biến áp. Kết quả mô phỏng được kiểm chứng bằng
chương trình ATP-EMTP.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Đối với các trạm biến áp từ 110KV trở lên do có mức cách điện cao nên hệ thống nối đất
chống sét và nối đất an toàn có thể chung nhau [3]. Hệ thống nối đất thường có kết cấu mạch vòng,
cọc và các thanh cân bằng thế tạo thành một nối đất hình lưới (grounding grid). Do ảnh hưởng của
điện cảm, quá trình tản dòng điện sét vào hệ thống nối đất tạo nên phân bố điện áp khác nhau trên
lưới nối đất. Việc tính toán hệ thống nối đất trong trường hợp này khá phức tạp nên thường áp dụng
các phương pháp đơn giản hoá chỉ xét mạch vòng cọc và thường bỏ qua các thanh cân bằng thế.
Mô phỏng một lưới nối đất nhằm xác định phân bố điện áp là chủ đề quan tâm chính của bài báo
này.
Các phương pháp mô phỏng lưới nối đất dưới tác dụng của dòng điện sét thường được sử
dụng là:
- Phương pháp lý thuyết mạch
- Phương pháp trường điện từ
- Phương pháp “HYBRID”
- Phương pháp TLM
Ba phương pháp đầu được phát triển từ rất sớm, tuy nhiên do có những hạn chế không mô
phỏng được toàn bộ các hiện tượng xảy ra [4] nên không được ứng dụng rộng rãi. Transmission
Line Modeling [1] là phương pháp tương đối dễ hiểu và có thể mô phỏng được toàn bộ các hiện

tượng cũng như quá trình quá độ của hệ thống lưới nối đất khi có tác dụng của dòng điện sét.
2. Phương pháp TLM
Transmission Line Modeling [1] được phát triển từ năm 1971 và có nhiều ứng dụng trong
tính toán truyền sóng, phân bố trường điện từ…Các phần tử cơ bản như R, L, C hay hỗ cảm được
mô phỏng thành các mô hình đường dây dài có thông số rải. Sau đó sử dụng các sơ đồ thay thế
dạng Thevernin để tính toán dòng và áp của mạch.
A. Mô hình c
a) Dạng link Model.
Xét một đường dây dài có thông số Cd và Ld là dung kháng và cảm kháng trên một đơn vị
chiều dài. Phần đường dây có chiều dài ∆l và ∆t là thời gian truyền sóng từ đầu đến cuối đường
dây: Cd. ∆l = C và Ld. ∆l = L.
Vận tốc truyền sóng trên đường dây là:

1
.
d d
l
v
t
L C
∆
= =
∆
Do đó:
2
1
d
d
t
L

l C
∆
 
=
 
∆
 
(1)
Tổng trở sóng của đường dây:

d
c
d
L
t
Z
C C
∆
= =
(2)
Như vậy một đường dây có tổng trở Z
c
sẽ được xem như một tụ điện C, nhưng do đường
dây còn có thêm một điện kháng phụ L
e
được tính như sau:

( )
2
.

e d
t
L L l
C
∆
= ∆ =
(3)
Trở kháng L
e
có thể được xem như là sai số của phép mô phỏng, sẽ rất nhỏ và có thể bỏ
qua khi bước thời gian ∆t càng bé. Tuy nhiên trong thực tế thì tất cả các tụ điện đều không thể tuyệt
đối dung kháng mà thêm vào đó là các thành phần phụ như điện trở và điện kháng. Như
vậy phương pháp thay thế tụ bằng một đường dây dài có tổng trở Z
c
là có thể chấp nhận được.
Hình1: Mô hình C dạng Link Model
b) Dạng Stub Model
Tương tự dạng Link Model, xét đường dây dẫn có thông số như trên, tuy nhiên thời gian
sóng truyền từ đầu đến cuối và phản xạ từ cuối đường dây trở về là ∆t, do điện áp trên tụ không thể
thay đổi đột ngột nên sơ đồ thay thế tại cuối đường dây được coi như hở mạch. Ta có C
d
.∆l = C, do
đó vận tốc truyền sóng dọc chiều dài đường dây:

1
.
2
d d
l
v

t
L C
∆
= =
∆
Do đó:
2
1
.
4.
d
d
t
L
l C
∆
 
=
 ÷
∆
 
Tổng trở sóng của đường dây là:

2.
d
c
d
L
t
Z

C C
∆
= =
(4)
Như vậy tụ C có thể được thay thế bằng đường dây có tổng trở sóng Zc, có sai số do có
thêm điện cảm:

( )
2
.
4.
c d
t
L L l
C
∆
= ∆ =
(5)
Trở kháng này có thể bỏ qua khi bước thời gian rất nhỏ.
Hình 2: Sơ đồ thay thế C dạng Stub model
B. Mô hình L
a) Dạng Link Model
Tương tự như tụ điện C. Tổng trở sóng của đường dây:

d
L
d
L
L
Z

C t
= =
∆
(6)
Như vậy một tụ điện cảm L có thể được xem như là một đường dây dài có tổng trở sóng Z
được xác định theo công thức (6). Tuy nhiên sẽ có thêm một điện dung phụ được coi là sai số của
phép mô phỏng:

( )
2
.
e d
t
C C l
L
∆
= ∆ =
(7)
Ta thấy rằng C
e
sẽ rất nhỏ khi bước thời gian ∆t nhỏ, và như vậy có thể bỏ qua.
b) Dạng Stub Model
Trong mô hình dạng Stub thì đường dây thay thế sẽ ngắn mạch tại cuối đường dây, L sẽ
tương đương với đường dây có tổng trở sóng:

2
d
L
d
L

L
Z
C t
= =
∆
(8)
Điện dung gây sai số trong phép mô phỏng:

( )
2
.
4
e d
t
C C l
L
∆
= ∆ =
(9)
Ta cũng bỏ qua sai số này khi bước thời gian nhỏ.
Hình 3: Mô hình L - dạng TLM
3. Mô phỏng lưới nối đất bằng TLM
3.1. Một số giả thiết
Với phương pháp TLM cho phép mô phỏng toàn bộ lưới nối đất, bao gồm các thanh dẫn
ngang, dọc, cọc nối đất, tương hỗ giữa các thanh dẫn cũng như quá trình phóng điện trong đất. Tuy
nhiên hiện tại để đơn giản xin có những giả thiết như sau:
- Bỏ qua điện trở của vật liệu làm điện cực
- Bỏ qua tương hỗ giữa các thanh dẫn
- Không xét đến quá trình phóng điện trong đất
3.2. Thông số của lưới nối đất

Mô hình lưới nối đất
Hình 4: Lưới nối đất và quy ước của nút
Chia lưới thành các loại nút như sau:
- Nút dạng L : nút ở góc lưới
- Nút dạng T: nút ở trên đường biên của lưới (có 3 nhánh)
- Nút dạng chữ thập (nút ở giữa lưới)
Coi mỗi nút như một điện cực thì các thông số G, L, C của nút được xác định như sau [2]:
Nút dạng L

1
2
.
L L
d
G K
p
π
−
=
(S)

.
L L
L K
d
µ
π
=
∆
(H) (9)

1
2. . . .
L L
C d K
ε π
−
=
(F)
Trong đó: G
L
, L
L
, C
L
lần lượt là điện dẫn, cảm kháng và điện dung của nút so với đất
d - chiều dài nhánh (bằng một nửa kích thước của ô lưới)
h - Độ chôn sâu của lưới
a - đường kính của thanh dẫn
p - điện trở suất của đất
ε - hằng số điện môi của đất
μ - độ từ thẩm của đất

2 4
ln ln 0,273 0,8584.
2
1,656. 10,8544.
L
d d h
K

a h d
h h
d d
   
= + − +
 ÷  ÷
   
   
+ −
 ÷  ÷
   
Nút dạng T

1
3
.
T T
d
G K
p
π
−
=
(S)

.
6
T T
L K
d

µ
π
=
(H)

1
3. . . .
T T
C d K
ε π
−
=
(F)
Với (10)

2 4
ln ln 1,071 0,418.
2
3,808. 13,824.
T
d d h
K
a h d
h h
d d
   
= + + −
 ÷  ÷
   
   

+ −
 ÷  ÷
   

Nút dạng chữ thập

1
4 d
G K
p
π
−
+ +
=
(S)

8
L K
d
µ
π
+ +
=
(H) (11)

1
4. . . .C d K
ε π
−
+ +

=
(F)