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:
∆l 1
v= =
∆t Ld .Cd
2
∆t 1
Ld =
Do đó: ∆l Cd (1)
Tổng trở sóng của đường dây:
Ld ∆t
Zc = =
Cd C
(2)
Như vậy một đường dây có tổng trở Zc sẽ được xem như một tụ điện C, nhưng do đường
dây còn có thêm một điện kháng phụ Le được tính như sau:
( ∆t )
2
Le = L .∆l =
d
C (3)
Trở kháng Le 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 Zc 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:
∆l 1
v= =
∆t Ld .Cd
2
2
∆t 1
Ld = .
Do đó: ∆l 4.Cd
Tổng trở sóng của đường dây là:
Ld ∆t
Zc = =
Cd 2.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:
( ∆t )
2
Lc = L .∆l =
d
4.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:
Ld L
ZL = =
C d ∆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:
( ∆t )
2
Ce = C d .∆l =
L (7)
Ta thấy rằng Ce 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:
Ld 2 L
ZL = =
Cd ∆t
(8)
Điện dung gây sai số trong phép mô phỏng:
( ∆t )
2
Ce = C d .∆l =
4L (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
2π d −1
GL = .K L
p (S)
µ
LL = .K L
∆π d (H) (9)
CL = 2.ε .π .d .K L 1
−
(F)
Trong đó: GL, LL, CL 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
d d h
K L = ln + ln − 0, 273 + 0,8584.
a 2h d
2 4
h h
+1, 656. − 10,8544.
d d
Nút dạng T
3π d −1
GT = .KT
p (S)
µ
LT = .K T
6π d (H)
CT = 3.ε .π .d .KT−1 (F)
Với (10)
d d h
KT = ln + ln + 1, 071 − 0, 418.
a 2h d
2 4
h h
+3,808. − 13,824.
d d
Nút dạng chữ thập
4π d −1
G+ = K+
p (S)
µ
L+ = K+
8π d (H) (11)
C+ = 4.ε .π .d .K + 1
−
(F)
Với
d d h
K + = ln + ln + 2,912 − 4, 284.
a 2h d
2 4
h h
+10,32. − 37,12.
d d
3.3.Mô phỏng lưới nối đất bằng TLM
Theo phương pháp này thì đoạn thanh dẫn nối giữa 2 nút được thay bằng đường dây dài
nối tiếp, như vậy mỗi nút có hai, ba, bốn đường dây, có thể có thêm cọc tại nút. Mỗi cọc nối đất
được thay bằng điện trở tản R. Tất cả các đường dây nối tiếp giữa 2 nút đều có tổng trở sóng là
Z = L C . Để duy trì các bước thời gian tính như nhau, phương pháp TLM đưa thêm các thành
phần điện cảm bổ sung Lex và các thành phần điện dung bổ sung Cex [1,2]. Các đại lượng này
liên hệ với các thông số của nút theo các công thức dưới đây:
LL = 2 ( L + LexL )
LT = 3 ( L + LexT )
L+ = 4 ( L + Lex+ )
C L = 2 ( C + CexL )
CT = 3 ( C + CexT )
C+ = 4 ( C + Cex+ )
(12)
Trong đó các chỉ số L, T, + để chỉ loại nút tương ứng. L và C liên hệ qua biểu thức [5]:
1 1 1
v= = =
LC εµ ε 0ε r µ 0
(13)
Bước thời gian tính toán được xác định theo công thức sau:
∆l 1
v= =
∆t ε 0ε r µ 0
Với ∆l là khoảng cách giữa các thanh dẫn (coi khoảng cách giữa thanh ngang và dọc đều
như nhau). Các điện cảm Lex và điện dung Cex sẽ được thay bằng dạng Stub theo các công
thức 4 và 8.
Hình 5a: Mô hình mạch nút dạng L
Hình 5b: Nút L - dạng TLM
Hình 5c: Nút T - dạng TLM
a) Tính toán điện áp các nút
Điện áp tại một nút hoàn toàn được xác định khi biết điện áp tới nút đó từ các nhánh
i
V (m = 1,4).
m
( 2V1i + 2V2i + 2V3i + 2V4i ) .VCex + 2Vci .Z Lex + l x .Z cex .Z Lex .Rmu
Vk ( i, j ) =
Z Cex .Z Lex + ( Z Lex + 4.Z Cex ) .Rmu
Trong đó: ViC là điện áp tới từ nhánh đường dây thay thế cho Cex.
Từ đó tính được điện áp phản xạ trở về các nhánh, sóng này tới các nút lân cận và lại
phản xạ trở về nút đang xét sau thời gian ∆t, do đó điện áp phản xạ ở nút này là điện áp tới các
nhánh ở nút lân cận nó trong bước thời gian ∆t tiếp theo và như vậy quá trình tính toán được lặp
lại, tương tự cho các nút khác và ta có thể tính được toàn bộ điện áp tại các nút ở lưới.
4. Kết quả và thảo luận
4.1.Chương trình mô phỏng
Các thông số cần nhập cho quá trình tính bao gồm:
Thông số của lớp đất: điện trở suất (Ωm) và hằng số điện môi của đất.
Thông số của lưới: kích thước lưới, số thanh dẫn ngang và dọc, bán kính thanh (m),
khoảng cách giữa các thanh ∆l (m), độ chôn sâu so với mặt đất (m).
Thông số cọc: chiều dài cọc (m), bán kính cọc (m), vị trí đóng cọc trên lưới.
Thông số của dòng điện sét: biên độ và độ dốc của dòng điện sét, ví dụ dòng điện đi
vào đất.
Dòng điện sét sẽ có dạng xung kích và có thể mô tả được bằng một trong hai dạng như
sau:
- Dạng 1:
I set = I o ( e − At − e Bt )
Io, A, B là các hệ số (A Hình 6: Nhập dữ liệu trong chương trình mô phỏng
4.2. Kết quả mô phỏng
Với lưới (5x5) tức là gồm 5 thanh dẫn ngang và 5 thanh dẫn dọc, khoảng cách giữa các
thanh 5m, điện trở suất của đất 150Ωm, chôn sâu 0,8m, đường kính thanh dẫn là 0,016m, hằng
số điện môi của đầt là 4 (hình 7)
Hình 7: Lưới (5x5) và đánh số nút.
Nguồn dòng sét có dạng 1 (hình 8) đi vào nút 11
Hình 8: dạng điện sét
Kết quả đo điện áp tại 5 nút 11, 12, 13, 14 và 15 được thể hiện trên hình 9
Phương pháp TLM cho kết quả hoàn toàn trùng khớp với tính toán theo EMTP, điện áp
tại nút có dòng sét đi vào có trị số lớn hơn cả đạt 1150KV, trong hki tại nút 15 thì điện áp này
tương đối nhỏ là do dòng điện sét đã bị suy giảm đáng kể khi truyền tới vị trí cuối của thanh dẫn.
5. Kết luận
Trên đây là kết quả ban đầu về ứng dụng phương pháp TLM mô phỏng lưới nối đất. Ta
có thể rút ra một số kết luận như sau:
- Kết quả tính toán cho thấy nếu nối cột thu sét vào góc lưới nối đất, điện áp giáng trên
hệ thống nối đất có trị số lớn nhất. Điều này phù hợp với quy phạm về nối đất các cột thu sét thì
phải nối vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất và sao cho dòng điện sét khuyếch
tán vào đất theo 3 – 4 tia nối đất. Ngoài ra ở mỗi trụ của kết cấu ấy phải có nối đất bổ sung để
cải thiện trị số điện trở nối đất [3].
- Khoảng cách giữa các thanh dẫn không nên lớn quá hoặc nhỏ quá vì sẽ hạn chế tản
dòng sét đi vào đất hoặc ảnh hưởng tương hỗ giữa các thanh dẫn cao.
Phương pháp TLM với ưu điểm là có thể mô phỏng được cả hiện tượng phóng điện
trong đất và tương hỗ giữa các thanh dẫn. Chương trình mô phỏng có thể tính toán cho lưới nối
đất mỗi chiều đến hàng trăm thanh, tiện lợi hơn nhiều so với EMTP.
Tuy nhiên hiện tại chương trình chỉ chạy cho các lưới nối đất đồng nhất như nhau ở tất
cả các phần tử, trong quá trình tính toán, chẳng hạn như thêm tia, cọc có chiều dài bất kì thì sẽ
gặp khó khăn khi mô phỏng.
Khi xem xét môi trường đất là nhiều lớp thì lưới nối đất sẽ được mô phỏng hoàn thiện,
đó cũng là ưu điểm và là hướng phát triển của đề tài. Chương trình EMTP- ATP thì không thể mô
phỏng được các hiện tượng này.
EYETECK.NET
Copyright by webtailieu.net