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

Nội dung text: Phƣơng pháp sai phân hữu hạn trong tính toán quá điện áp hệ thống nối đất

1. PHƢƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN TRONG TÍNH TỐN QUÁ ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Hồ Văn Nhật Chƣơng1,a, Lê Trung Hiếu1, b 1 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM adr_hvnchuong@yahoo.com; blthieu76@yahoo.com TĨM TẮT Hiện tượng quá điện áp đã ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống nối đất của lưới điện, thiết bị điện. Vì vậy để hệ thống nối đất lưới thiết ị điện được an tồn, bảo đảm tính mạng người, tài sản, ta cần phải tìm phương pháp tốt nhất để tính tốn quá điện áp một cách hiệu quả nhất. Thơng qua các kết quả tính tốn, ta chọn được những thiết bị, thơng số phù hợp để hạn chế tối đa quá điện áp xảy ra trên hệ thống. Phương pháp sai phân hữu hạn(PPSPHH) là phương pháp được lựa chọn để tính tốn, mơ phỏng quá điện áp. Với phương pháp này thì việc thực hiện đơn giản cho ra kết quả tin cậy. Từ khĩa: Phương pháp sai phân hữu hạn quá điện áp trên hệ thống nối đất, hệ thống nối đất. ABSTRACT Overvoltage phenomenon directly affects the grounding system of the power grid, electrical equipment. In other to ensure the safety of grounding system, grid, electrical equipments as well as human lives and propert, we need to find the best method to calculate the voltage on grounding system most effectively. Through the calculation results, we choose the appropriate equipment and parameter to minimize the overvoltage occurs on the system. Finite difference method (FDM) is the method of choice for computation, simulation overvoltage. This method helps the simplest implementation but getting reliable results. Keywords: Finite difference method, the overvoltage on the grounding system, the grounding system. 1. GIỚI THIỆU 2. PHƢƠNG PHÁP SPHH CHO HỆ Hệ thống nối đất là một trong những PHƢƠNG TRÌNH QUÁ ĐỘ phần tử quan trọng của hệ thống điện, bởi vì 2. . h nh thanh nối đất đồng nhất. nĩ đảm bảo an tồn cho thiết bị điện, tính Lưới nối đất là một hệ thống gồm các mạng con người, vận hành hệ thống đạt hiệu thanh và cọc ghép nối lại với nhau. Do đĩ quả. Đảm bảo tản dịng điện xuống đất do chúng ta hồn tồn cĩ thể dự đốn được sự quá điện áp xảy ra trên thiết bị, lưới điên. lan truyền của quá điện áp và dịng điện trên Chính vì vậy khi thiết kế hệ thống nối đất lưới nối đất khi biết được quá trình quá độ vấn đề được quan tâm là thanh và lưới nối xảy ra trên một thanh hay cọc nối đất đơn lẽ. đất phải đáp ứng quá điện áp do đĩng cắt tải, Vì vậy, chúng ta phải khảo sát quá trình lan do sét gây ra. truyền sĩng điện áp và dịng trên thanh (cọc) Trong bài báo này chúng tơi đã áp nối đất mà hệ phương trình mơ tả quá trình dụng phương pháp sai phân hữu hạn tính quá lan truyền này cĩ dạng sau. điện áp, tổng trở xung kích ở các thanh nối u i Ri L đất trên hệ thống nối đất. Các kết quả tính x t (1) tốn sẽ được thể hiện trên các hình vẽ, đáp i v Gv C ứng các yêu cầu bài tốn đặt ra. x t
2. 1 n Với R, L, G và C lần lượt là điện trở , 1 2 n 1 C C G n is (n t) I1 (5) U1 G U1 2 điện cảm, điện dẫn và điện dung trên đơn vị 2 t t 2 x dài của thanh dẫn. Tại vị trí cuối của thanh chúng ta cĩ 2.2. Phƣơng pháp sai phân hữu hạn Để tính tốn các thơng số trên thanh 1 1 C C G n n 1 n 2 (6) dẫn chơn dưới đất bằng phương pháp sai U M G U1 2I N 2 t t 2 phân hữu hạn, hệ phương trình (1) cĩ thể được viết lại cho các mối quan hệ trong phân ách tính điện trở tản xung của hệ đoạn m như sau: thống nối đất U(t) Khai triển phương trình (1) bằng Z(t) (7) I (t) lược đồ sai phần trung tâm ta được m n n n 1/ 2 n 1/ 2 3. KẾT QUẢ TÍNH TỐN um um 1 R n 1/ 2 n 1/ 2 im im (im im ) L x 2 t (2) 3.1 Kết quả tính tốn quá điện áp tại các i n 1/ 2 i n 1/ 2 G u n 1 u n điểm đầu, giữa và cuối thanh nối đất m 1 m (u n u n 1 ) C m m t 2 m m t l=100m Sơ đồ sai phân của hệ phương trình l = 100m – Chiều dài thanh dẫn này được miêu tả như sau tmax = 60e-6 s – thời gian khảo sát n 1/ 2 n 1/ 2 n 1/ 2 im 2 n 1/ 2 i1 i2 i n 1/ 2 quá trình quá độ m 1 im r =1.5*10-3 m– Bán kính thanh dẫn n n n n n 1/ 2 n 1/ 2 u n 1/ 2 n 1/ 2 u n 1/ 2 um 1 m i u1 2 im 1 im d = 0.6m – Độ chơn sâu của thanh 1 i2 i3 cách mặt đất x x x x er = 20 – Độ thẩm điện tương đối của đất Rút gọn hệ phương trình (2) và xấp ρđ = 20Ωm – Điện trở suất của đất -6 xỉ ta được: ρt = 0.25*10 Ωm – Điện trở suất Rn t của thanh 1 m 2Ln 1 -14203.84*t n 1 m n n n Dạng dịng sét is(t) = 1.0.(e – im im (um um 1) R t Rn Ln -4880435*t 1 m m n ( ) x (3) e )kA 2Lm 2 t DIEN AP TAI VI TRI : 0m,50m,100m n 14 G t x=0m 1 m n x=50m n 1 2Cm n 1 n 1 n 1 12 x=100m um um (im 1 im ) Gn t Gn C n 1 m ( m m ) x n 10 2Cm 2 t Hay cĩ dưới dạng: 8 n 1 n n n n n i A i B (u u ) ap Dien m m m m m m 1 (4) 6 un 1 C nun Dn (in 1 in 1) m m m m m 1 m 4 Về điều kiện biên chúng ta căn cứ 2 vào mơ hình tương đương của thanh nối đất 0 tại 2 đầu, cụ thể như sau 0 1 2 3 4 5 6 7 Thoi gian -5 Tại vị trí đầu vào của dịng sét đầu x 10 thanh chúng ta cĩ Hình 1. Kết quả thu được khi l=100m ứng với các giá trị x = 0; 50; 100m
3. Kết quả thu được từ phương pháp sai biên độ là khơng đáng kể, cũng như ở biên phân hữu hạn từ Hình 1 cho thấy điện áp tại độ ổn định điện áp là xấp xỉ 1kV. vị trí đầu thanh ở 0m; vị trí 50m và 100m. Bây giờ ta tiếp tục khảo sát quá điện Các giá trị đầu thanh dạng sĩng màu áp ở đầu các thanh l =10; 30; 60;90; 120m, đỏ, giữa thanh màu xanh, cuối thanh màu khi thay đổi bán kính thanh từ r = 1,5 mm tím. Các giá trị thay đổi biên độ quá điện áp tăng lên r =15mm và độ chơn sâu của thanh rất nhiều khi cĩ dịng sét vào. từ d = 0,6m lên d = 0,8m, để xem kết quả cĩ Từ 3 vị trí trên trên ta thấy rằng khi sự thay đổi gì giữa sự thay đổi đĩ. cĩ dịng sét vào thì xung điện áp ở đầu thanh 3.3. Kết quả khảo sát quá điện áp đầu sẽ cao hơn điện áp ở các vị trí khác và cĩ thanh nối đất khi thay đổi bán kính chiều hướng giảm dần theo thời gian. thanh là r = 5mm; độ chơn sâu d=0.8m. Thời gian phát xung ở đầu thanh sẽ Thơng số khảo sát ngắn hơn các vị trí khác trên thanh. l = 10m; 30m; 60m;90m;120m – Như vậy từ hình ta thấy xung điện áp Chiều dài thanh dẫn ở đầu thanh sẽ giảm dần về vị trí cuối của tmax = 60e-6 – thời gian khảo sát quá thanh ứng với các giá trị x tăng dần về cuối trình quá độ thanh dẫn. r =15*10-3m – Bán kính thanh dẫn 3.2. Kết quả tính tốn quá điện áp tại đầu d = 0.8m – Độ chơn sâu của thanh các thanh với chiều dài l =10 ;30 ;60 ;90 ; cách mặt đất 120m er = 20 – Độ thẩm điện tương đối của Kết quả sau đây áp dụng các thơng đất số mơ phỏng như Mục 3.1 ρđ = 20Ωm – Điện trở suất của đất DIEN AP TAI VI TRI : 0m -6 14 ρt = 0.25*10 Ωm – Điện trở suất l=10m l=30m của thanh 12 l=60m l=90m Dạng dịng sét 1.2/50µF: is(t) = l=120m -14203.84*t -4880435*t 10 1.0.(e – e ) kA DIEN AP TAI VI TRI : 0m 12 8 l=10m l=30m 11 l=60m Dien ap Dien l=90m 6 10 l=120m 9 4 8 7 2 6 Dien ap Dien 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 4 Thoi gian -5 x 10 3 Hình 2. Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi l 2 = 10; 30;60;90;120m 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Thoi gian -5 Từ Hình 2 thấy kết quả khảo sát giữa x 10 các thanh khác nhau. Ở thanh 10m xung quá Hình 3. Kết quả khảo sát tại đầu thanh khi áp ở đầu thanh là 12kV , thời gian ổn định l=10;30;60;90;120m biên độ 0,15µs điện áp 4kV. Các thanh cĩ Như vậy khi thay đổi giá trị bán kính chiều dài lớn hơn là 30m; 60m; 90m; 120m thanh và độ chơn sâu của thanh tăng lên thì thì biên độ điện áp xấp xỉ 14kV sự so lệch về rõ ràng điện áp quá độ sẽ giảm xuống.
4. ũng phân tích như vậy đối với các 3.5. Kết quả khảo sát tổng trở xung tại thanh 30m; 60; 90m; 120m ta cũng thấy sự đầu thanh l = 20m, ρđ =50, 100, 200, 300, chệnh lệch điện áp theo chiều hướng giảm 400, 500Ωm khi điện trở thanh và độ chơn sâu tăng. Như vậy với các giá trị ρđ thay đổi, Như vậy khi bán kính thanh tăng dần thì giá trị tổng trở kéo dài trên các thanh thay thì điện áp quá độ giảm dần, sự ổn định điện đổi theo, khi ρđ nhỏ thì tổng trở xung thấp, áp cũng giảm theo. khi ρđ lớn thì tổng trở xung cao. Dễ dàng 3.4. Kết quả khảo sát quá điện áp đầu thấy rằng tổng trở tập trung tăng khi ρđ tăng. thanh l = 20m khi thay đổi giá trị điện trở Ta tiếp tục xem xét một hình cho một suất của đât ρđ =50; 100; 200; 300; 400; thanh với các thay đổi của điện trở suất ρđ. 500 Ωm Thơng số mơ phỏng Thơng số mơ phỏng l = 120m – Chiều dài thanh dẫn -3 l = 120m – Chiều dài thanh dẫn tmax = 60e-6 s; r =15*10 m ; -3 tmax = 60e-6 s; r =15*10 m ; d = 0.8m ; er = 20 d = 0.8m ; er = 20 ρđ = ρđ =50; 100; 200; 300; 400; 500 ρđ = ρđ =50; 100; 200; 300; 400; 500 Ωm – Điện trở suất của đất -6 Ωm – Điện trở suất của đất ρt = 0.25*10 Ωm – Điện trở suất -6 ρt = 0.25*10 Ωm – Điện trở suất của thanh của thanh Dạng dịng sét 1.2/50µF: is(t) = -14203.84*t -4880435*t Dạng dịng sét 1.2/50µF: is(t) = 1.0.(e – e ) kA -14203.84*t -4880435*t 1.0.(e – e ) kA TONG TRO TAI VI TRI : 0m, 140 rod=50 DIEN AP TAI VI TRI : 0m 70 rod=100 rod=50 120 rod=200 rod=100 rod=300 60 rod=200 rod=400 100 rod=300 rod=500 rod=400 50 rod=500 80 40 Tong tro Tong 60 Dien ap Dien 30 40 20 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Thoi gian -6 0 x 10 0 1 2 3 4 5 6 7 Thoi gian -6 x 10 Hình 5. Kết quả thu được tại x=0, l =120m, Hình 4. Kết quả thu được thanh l =120m, ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm ρđ =50;100;200;300;400;500 Ωm Kết quả khi thay đổi điện trở suất của Với kết quả khảo sát ở hình 4 ta thấy đất đã cho thấy khi điện trở suất thay đổi khi điện trở suất của đất tăng dần thì xung tăng dần thì tổng trở kéo dài tăng dần, tổng quá điện áp cũng tăng theo, điện áp ổn định trở tập trung cũng tăng theo. cũng thay đổi tăng.
5. 3.6. Kết quả khảo sát tổng trở xung tại Từ Hình 6 trên ta thấy tổng trở xung đầu các thanh l =10;30;60;90;120 m, khi của dịng điện i =( e-t/T1-e-t/T2) và các dịng ρđ = 50Ωm TONG TRO TAI VI TRI : 0m, 60 điện ; i = t khi t>0 cĩ l=10m l=30m l=60m 50 l=90m biên độ tổng trở gần bằng nhau, các dạng l=120m 40 dịng sét cịn lại cĩ biên độ cao hơn Như vậy trong khảo sát quá điện áp 30 Tong tro Tong trên thanh nối đất ta cĩ thể xác định được 20 biên độ xung áp quá độ, thời gian khảo sát quá độ, biên độ ổn định điện áp, thời gian ổn 10 định điện áp. Thấy rõ được sự thay đổi của 0 0 1 2 3 4 5 6 7 các giá trị, làm ảnh hướng các giá trị quá Thoi gian -6 x 10 điện áp, tổng trở xung kích. Hình 6. Kết quả thu được tại đầu các thanh Từ các kết quả khảo sát các dạng l =10;30;60;90;120m, ρđ =50 Ωm dịng điện khác nhau trên, ta cũng xác định Từ sự tổng hợp hình 6 khi thay đổi được điện trở xung nằm trong khoảng thời chiều dài các thanh ta cũng thấy rằng những gian được tính từ lúc bắt đầu đến điểm kết nhận xét quá độ tổng trở xung kích là đúng thúc là 0 ≤ t ≤ 1µs. Tổng trở ổn định được với kết quả như đã phân tích. tính từ điểm kết thúc xung đến điểm ổn định 4. Ảnh hƣởng của các dạng sĩng lên trên là 1 < t ≤ 3 µs. tổng trở xung của các thanh nối đất 5. KẾT LUẬN ác dạng sĩng dịng điện cĩ dạng Trên cùng một thanh dẫn, giá trị -t/T1 -t/T2 như sau: i =( e -e ); i =1(t); xung quá điện áp sẽ thay đổi giảm dẫn theo at(0 t  ds) chiều từ đầu thanh đến cuối thanh, hay nĩi i -t/T khi t ≥ 0; ; i =e ; cách khác là khi xét giá trị quá điện áp tại 1(t  ds) đầu thanh, giữa thanh và cuối thanh thì tại A.t(0 t  ds ) thời điểm đầu thanh giá trị quá điện áp sẽ i = Bt C( t T) ds cao hơn tại thời điểm giữa và cuối thanh. 0(t T ) Chứng tỏ là khi cĩ dịng điện sét vào đầu TONG TRO TAI VI TRI : 0m, 120 thanh thì xung quá điện áp sẽ rất cao, vì khi (e(-t1/T)-e(-t2/T) I=1(t) đĩ dịng sét chưa tản vào trong đất, khi tản 100 I=At,I=1(t) I=e(-t/T) I=at;t;0 dịng sét vào đất tại các điểm khác trên thanh 80 thì xung quá áp sẽ giảm dần theo thời gian. Khi thay đổi bán kính thanh dẫn và 60 Tong tro Tong độ chơn sâu của thanh tăng lên, ta thấy quá 40 điện áp xung sẽ giảm đi. Khi chiều dài thay đổi tăng dần thì 20 xung quá điện áp thay đổi và tăng theo, 0 0 1 2 3 4 5 6 7 tương tự như vậy điện trở suất của đất càng Thoi gian -6 x 10 tăng thì quá điện áp càng tăng. Hình 7. Kết quả thu được tại x=0 tại các dịng điện khác nhau
6. Khi khảo sát tổng trở xung kích cũng experiments, Acta Universitais Upsaliensis cho ta thấy, kết quả tương tự như khảo sát Uppsala 2004 quá điện áp trên thanh như đã trình bày. Như [10] Cidras, A.F.Otero and C. Garrido vậy khi khảo sát tổng trở xung tại thời điểm “Nodal frequency analysis of gounding tổng trở kéo dài và thời điểm tổng trở tập system”, IEEE Trans. Power Delivery, trung, ta vẫn biết được giá trị của quá điện Vol.5. pp, 1773-1781, November 1990 xung và ổn định điện áp. [11] Srete Nikolovski “Simonlation and T I IỆU THA KHẢO Analysys of a lighting Strikes to GSM base 1 Hồng iệt - Kỹ thuật điện cao áp, N Transmission Station tower’’ Faculty of Đại học quốc gia TPH M. electrical engineering University of Osijek, [2] Hồ ăn Nhật hương (2003) - Bài tập K. Trpimira 2B 31 000 Osijek, Croatia kỹ thuật điện cao áp, Nhà xuất bản Đại học [12] A Geri, “ echavio of grounding system quốc gia TPHCM excited by high impulse currents: the model 3 hu uốc Thắng - Phương pháp phần tử and its validation ”, IEEE Trans, Power hữu hạn, N Khoa học và kỹ thuật. Dilivery, Vol. 14, No. 3, PP.1008-1017, july 4 Hồ Đức Huấn - ng dụng mơ hình 1999. đường dây truyền tải và phương pháp sai 13 Greev and F.Dawalibi, “ An phân hữu hạn vào nghiên cứu quá độ hệ electromagnetic model for transients in thống nối đất, Thư viện ĐH ách khoa grounding system”, IEEE Trans. Power TPHCM. Delivery, Vol.5,pp 1773-1781, November [5] Dennis M. Sullivan Electromagnetic 1990 Sumulation Using The FDTD Method IEEE [14] M. Ramamoorty, M.M Babu Press Narayanan, S.Parameswaran et al., “ [6] Ersan Şentürk1 ;Nurettin Umurkan 2 ; Transient performance of grounding grids”, Ưzcan Kalenderli 3. “A Study on numerrical IEEE Trans. Power Delivery, Vol.4,pp 2053- computation of potential distribution around 2059, Octorber 1989 a ground a grounding rod driven in soil’’ [15] Nekhoul, C. Cuerin, P.Labie, G. Key words: Grounding, Rod Electrode, Meunier and R. Feuillet, “ A finicelement Finite Difference Method, Potential method for calculating the electromagnetic Distribution fields generated by substation grounding 7 ũ Phan Tú, Nguyễn Nhật Nam, Huỳnh system “ IEEE Transactions on Magnetics , Quốc Việt, Finite Different Method and Vol. 31, No, 3, pp, 1509, May, 1995. ATP/EMTP for selected EMC problem in [16] B. Nekboul, P Labie, F,X, Zgainski and power systems modeling of grounding G.Meunier, “ alculation the impedance of a systems transients, International Symposium grounding system”, IEEE Transactions on on electrical & Electronics Engineering 2007 Magnetics, Vol. 32, No. 3, pp, PWRD-1, – Oct 24, 25 2007 – HCM City, Vietnam. 1512, May, 1996 [8] John B. Schneider -Understanding the 17 F.Dawalibi, “ Electromagnetic fields Finite-Difference Time-Domain Method - generated by overhead and buried short February 24, 2014. conductions, part 1- single conductor”, IEEE [9] Yaqing Liu – response of grounding Trans. On power Delivery, Vol.PWRD- No. systems caused by lighting: modeling and 4, 1986,p.105-111
7. 18 F.Dawalibi, “ Electromagnetic fields paper no TH-PM-2-4, Aug, 18th 22nd, 2003, generated by overhead and buried short pp 794 – 799. conductions, part II- Ground networks”, [21] P.LBellaschi, R.E. Arminggton and IEEE Trans. On power Delivery, A.E. Snowden, “ Impulse and 60-cycle Vol.PWRD- No. 4, 1986,p.112-119 characteristics of driven grounds II”, 19 R. Adolfato, L. ernardi and L. Fellin “ AIEETransactions, Vol.61,p.349-363,1942. Aerial and grounding system analysis by the 22 A. Liew anh M.Darveniza. “ Dynamic shifting complex images method” IEEE, model of impulse characteristics of Trans Power Delivery, Vol. -15, No, 3, concentrated earths”, Proc IEE, ol.121. pp.1001-1009, july 2000. No.2.p 123-135 Feb. 1974 [20] Y.Liu, N Theethayi, R, Gonzalez and R. [23] M. I. Lorentzou, N. D. Hatziargyriou. Thottappittil, “ The residual resistivity in soil “Time Domain Analysis of Grounding ionizational region around grounding system Electrodes Impulse Response” Time Domain for different experimental results’’ IEEE Analysis of Grounding Electrodes Impulse international Sysposium on EMC, Boston, Response. Giảng viên hướng dẫn Học viên thực hiện PGS-TS. Hồ Văn Nhật Chƣơng Lê Trung Hiếu
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.