MÔ PHỎNG THÊ HỆ THỐNG NÓI ĐẮT

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN HỆ THỐNG ĐIỆN  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT GVHD : ThS HUỲNH VĂN VẠN SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH LỚP : 06DD1D MSSV : 811175D TP Hồ Chí Minh , tháng 12 năm 2010 Để đạt thành ngày hôm nay,lời em xin gởi đến Thầy Huỳnh Văn Vạn lời biết ơn chân thành Trong thời gian em thực hoàn thành đề tài, Thầy tận tình hướng dẫn, gợi ý bổ sung kiến thức cho em hoàn thành tốt Luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn đến tất Quý Thầy Cô phụ trách giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức chuyên môn kinh nghiệm thực tiễn suốt trình chúng em học tập trường Khi thực đề tài, em cố gắng phân tích, tổng hợp kiến thức học tham khảo số tài liệu chuyên môn để nhằm đạt kết tốt Tuy nhiên,trong thời gian hạn chế, khơng có thiếu sót, kính mong q thầy cơ,bạn bè đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình động viên giúp đỡ em, gửi lời biết ơn đến bạn đóng góp tài liệu suốt thời gian học thời gian thực đề tài TP.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2010 Người thực Nguyễn Hoàng Minh LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật nhiều phần mềm dã áp dụng để tính tốn mơ tượng hệ thống điện Phần mềm em nghiên cứu áp dụng cho luận văn phần mềm matlab phần mềm áp dụng để mô nhiều hệ thống Luận văn em làm dùng phần mềm matlab mơ hệ thống nối đất Do cịn hạn chế kiến thức thời gian thực luận văn tránh khỏi sai sót Kính mong q Thầy, Cơ đóng góp ý kiến TP.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2010 Người thực Nguyễn Hồng minh MỤC LỤC Trang bìa Nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp Lịch trình luận văn tốt nghiệp Lời cảm ơn Lời mở đầu Mục lục Chương : SƠ LƯỢC VỀ BÀI TOÁN PHÂN BỐ THẾ 1.1 Sơ lược nối đất hệ thống điện .1 1.1.1 Hệ thống nối đất 1.1.2 Các vấn đề thiết kế hệ thống nối đất .2 1.2 Bài toán phân bố 1.3 Ý nghĩa thực tiễn đề tài Chương : GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM) 2.1 Sơ lược phương pháp phần tử hữu hạn 2.2 FEM cho toán 1- D .8 2.2.1 Bài toán giá trị biên 2.2.2 Rời rạc hóa miền khỏa sát hàm Shape 10 2.2.3 Hình thành hệ phương trình theo phương pháp Ritz 11 2.3.4 Một số ví dụ kết 18 2.3 FEM cho toán - D 21 2.3.1 Bài toán giá trị biên .21 2.3.2 Rời rạc hóa miền khỏa sát .23 2.3.3 Hàm Shape 24 2.3.4 Hình thành hệ phương trình theo phương pháp Ritz 26 2.3.5 Một số ví dụ kết 31 2.4 FEM cho toán - D 40 2.4.1 Bài toán giá trị biên .40 2.4.2 Rời rạc hóa miền khỏa sát .41 2.4.3 Hàm Shape 42 2.4.4 Hình thành hệ phương trình theo phương pháp Ritz 44 2.4.5 Một số ví dụ kết 47 Chương :KẾT QUẢ CHẠY MÔ PHỎNG 55 Mơ hình tốn nối đất 55 Mô phân bố cọc, dẫn nối đất,điện cực .57 2.1 Một cọc nối đất .57 2.2 Nhiều cọc nối đất 60 2.2.1 Hai cọc nối đất có độ dài .60 2.2.2 Hai cọc nối đất có độ dài khác .64 2.2.3 Năm cọc nối đất có độ dài 67 2.3 Thanh nối đất 70 2.4 Hệ thống gồm hai điện cực 73 2.5 Hệ thống gồm bốn điện cực .76 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Chương SƠ LƯỢC VỀ BÀI TOÁN PHÂN BỐ THẾ 1.1 SƠ LƯỢC VỀ NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1.1 HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Hệ thống nối đất phần tử hệ thống điện, bảo đảm hoạt động xác thiết bị hệ thống điều kiện vận hành bình thường cố Nó có tác dụng bảo đảm an tồn cho người khỏi bị điện giật cách giới hạn điện áp rò cố chạm đất trạm nhà máy điện Nhiệm vụ hệ thống nối đất để tản vào đất dòng điện cố (rò cách điện, ngắn mạch, chạm đất dòng điện sét) giữ cho điện phần tử nối đất thấp Theo chức nó, nối đất hệ thống điện chia làm loại  Nối đất làm việc: có nhiệm vụ bảo đảm làm việc trang thiết bị điện điều kiện bình thường cố theo chế độ qui định Vd: nối đất điểm trung tính cuộn dây máy phát, máy biến áp công suất, máy bù; nối đất máy biến áp đo lường, nối đất hệ thống pha – đất (đất dùng dây dẫn)  Nối đất an toàn: hay nối đất bảo vệ, có nhiệm vụ bảo đảm an toàn cho người phục vụ cách điện trang thiết bị điện bị hư hỏng gây rò điện Vd: nối đất vỏ máy phát, máy biến áp, vỏ thiết bị điện, vỏ cáp, nối đất kết cấu kim loại trang thiết bị phân phối điện Đó nối đất phận kim loại, bình thường có điện không, cách điện bị hư hỏng có điện khác khơng Nối đất an tồn nối đất với mục đích ngăn ngừa nguy hiểm đe dọa đến tính mạng người vận hành Kết cấu thiết bị nối đất bao gồm cực SVTH:NGUYỄN HOÀNG MINH MSSV:811175D LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT tiếp địa đóng sâu đất, nối cực tiếp địa với nhau, dây dẫn nối hệ thống tiếp địa với vỏ kim loại thiết bị  Nối đất chống sét: nhằm tản dòng điện sét vào đất, giữ cho điện phần tử nối đất khơng q cao để hạn chế phóng điện ngược từ phần tử đến phận mang điện trang thiết bị điện khác Vd: nối đất cột thu sét, dây chống sét thiết bị chống sét, nối đất kết cấu kim loại bị sét đánh Trong nhiều trường hợp, hệ thống nối đất đồng thời thực hai ba nhiệm vụ nói trên, đặc biệt hệ thống nối đất trạm biến áp cao áp (≥110kV) trung gian hay nhà máy điện 1.1.2 CÁC VẤN ĐỀ VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Các loại hệ thống nối đất thông thường thực hệ thống cọc thép (hoặc đồng) đóng vào đất ngang loại vật liệu chôn đất, cọc nối liền nối liền với vật cần nối đất Cọc thường làm thép ống thép trịn khơng rỉ (hoặc mạ kẽm), đường kính 3-6cm, dài 2-3m thép góc 40mm×40mm, 50mm×50mm đóng thẳng đứng vào đất, ngang thép dẹt tiết diện (3-5)×(20-40)mm2 thép trịn đường kính 10-20mm Cọc gọi chung cực nối đất, thường chôn sâu cách mặt đất 50-80cm để giảm bớt ảnh hưởng thời tiết không thuận lợi (quá khô mùa nắng băng giá mùa đông) tránh khả hư hỏng giới (do bị đào bới, cày cuốc) Dòng điện Id chạy qua điện cực tản vào đất, tạo nên quanh đất quanh đất điện trường (điện trường mơi trường dẫn điện) Mỗi điểm điện trường kể mặt đất có điện định Trên mặt đất điểm cách xa điện cực từ 20m trở lên coi điện điểm khơng cường độ điện trường khoảng cách thường khơng q 1V/m Điện cực nối đất điểm có điện “khơng” , trị số điện áp giáng cực gọi điện áp cực Ud SVTH:NGUYỄN HOÀNG MINH MSSV:811175D LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Điện trở nối đất (Rd) định nghĩa tỷ số điện áp cực Ud dịng điện qua Id: Điện trở Rd gồm điện trở thân điện cực điện trở tản đất Điện trở thân điện cực phụ thuộc vào vật liệu kích thước điện cực Khi tản dịng chiều xoay chiều tần số 50Hz thân trị số điện trở điện cực bé bỏ qua Khi tản dịng điện xung có độ dốc lớn có trị số đáng kể, cần xem xét Điện trở tản đất có trị số lớn nhiều phụ thuộc vào nhiều yếu tố kích thước, hình dáng, số lượng, cách bố trí điện cực phụ thuộc vào dạng trị số dịng điện, phụ thuộc tính chất, cấu tạo, trạng thái đất thời tiết Một số biện pháp để giảm điện trở nối đất:  Sử dụng hoá chất dẫn điện đổ vào nơi nối đất muối, than, xỉ kim loại, dung dịch keo dẫn điện giúp giảm điện trở suất đất Nếu dùng muối phải ý kiểm tra định kỳ thường xuyên ăn mòn muối cọc tiếp đất kim loại  Tăng cường thêm cọc nối đất dọc theo chu vi bên luới  Tăng cường thêm số điểm nối đất nối chúng lại với  Các điểm nối hệ thống nối đất nơi quan tâm ảnh hưởng lớn đến điện trở hệ thống nối đất Cần dùng hàn điện mối hàn Cadweld để đảm bảo điện trở tiếp xúc mối hàn không lớn điện trở thân vật dẫn hàn Thực hệ thống nối đất cụ thể cần phân tích để đảm bảo yêu cầu mặt kinh tế lẫn kỹ thuật Như thấy, việc khảo sát hệ thống nối đất, trường hợp vận hành bình thường cố, trạm nhà máy điện, từ tính tốn phân bố điện mặt đất, điện áp bước, điện áp tiếp xúc vô cần thiết cho việc thiết kế bảo vệ an tồn cho người tồn hệ thống SVTH:NGUYỄN HỒNG MINH MSSV:811175D LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 1.2 BÀI TOÁN PHÂN BỐ THẾ Tổng quát, toán phân bố hệ thống nối đất biểu diễn thơng qua phương trình vi phân phần Elliptic sở hệ phương trình Maxwell trường điện từ tương ứng với vô hướng  2 ( x , y , z )  2 ( x , y , z )  2 ( x , y , z )    g ( x, y , z )   ( x , y , z )  f ( x , y , z ) x y z (1.1) Thế vô hướng φ điểm đất xung quanh hệ thống nối đất dòng điện cố tản vào đất qua hệ thống nối đất phải thỏa mãn phương trình Elliptic bậc với điều kiện biên trình bày sau : σ φ    0  miền Ω      φ   φ0    miền Γ           0            0     |x|,|y|  ∞ SVTH:NGUYỄN HOÀNG MINH MSSV:811175D       1.2   miền Γe  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Ở đây, φ [σ] vô hướng tensơ điện dẫn đất vùng đất Ω Γ điện cực hay bề mặt phần tử lưới, Γe bề mặt đất Điện áp V(r,,z) điểm có tọa độ (r,,z) đất xác định theo phương trình Laplace:   2V (r ,  , z )     V (r ,  , z )   r r r  r   2V (r ,  , z )    2V (r ,  , z )      r    z   r  (1.3) Trong đó: r, , z xác định tọa độ điểm cần khảo sát hệ trục tọa độ Do tốn có tính đối xứng nên kết độc lập với biến , V(r,,z) = V(r,z) Như để xác định phân bố hệ thống nối đất mặt đất dòng điện cố chạy vào hệ thống nối đất, cần phải giải hệ phương trình (1.2) hay giải phương trình Laplace toán điều kiện biên 1.3 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Dù thực tế phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng rộng rãi giới từ kỷ XX, phương pháp tương đối xa lạ nước Điều thể rõ lĩnh vực trường điện từ nói chung hệ thống điện nói riêng Khi phân tích hệ thống kỹ thuật, mơ hình tốn học sử dụng để mơ tả hệ thống Khi tìm mơ hình, chất hệ thống biểu thị thơng qua biểu thức tốn học Các biểu thức thường bao gồm phương trình vi phân điều kiện cho trước Cùng với phát triển mạnh mẽ máy tính, nhiều phương pháp số phát triển ứng dụng giải hệ phương trình vi phân, từ giải nhiều tốn kỹ thuật tìm lời giải xấp xỉ Phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp số mạnh sử dụng phổ biến giới Một điểm mạnh phương pháp phần tử hữu hạn từ chương trình chung phát triển dễ dàng để giải nhiều loại tốn khác SVTH:NGUYỄN HỒNG MINH MSSV:811175D LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Kết mơ phỏng: Hình 3.10 - Kết chạy phân bố hệ thống nối đất gồm cọc nối đất có độ dài khác SVTH: Nguyễn Hồng Minh MSSV:811175D 63 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Khi thay đổi chiều dài cọc: Kết quả: Hình 3.11 - Kết chạy phân bố hệ thống nối đất gồm hai cọc nối đất có độ dài khác thay đổi chiều dài cọc Khi thay đổi khoảng cách cọc: Kết quả: Hình 3.12 - Kết chạy phân bố hệ thống nối đất gồm hai cọc nối đất có độ dài khác thay đổi khoảng cách hai cọc SVTH: Nguyễn Hoàng Minh MSSV:811175D 64 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Nhận xét: Dòng điện cố chạy từ điện cực tỏa môi trường xung quanh đất điện áp phân bố xung quanh điện cực có dạnh hyperbol Giá trị điện áp khu vực đất gần điện cực lớn, giá trị điện áp điện cực (tính đơn vị tương đối, giảm dần với điểm xa điện cực không xa vô Khi chiều dài cọc nối đất tăng điện áp điểm tăng theo Các đường đẳng phân bố đối xứng xung quanh cọc nối đất Điểm hai điện cực chịu ảnh hưởng hai cọc nối đất 2.2.3 Năm cọc nối đất có độ dài nhau: Kết mơ phỏng: SVTH: Nguyễn Hồng Minh MSSV:811175D 65 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Hình 3.13 - Kết chạy phân bố hệ thống nối đất gồm cọc nối đất có độ dài tốn 2D Khi thay đổi chiều dài cọc (các thông sô khác giữ nguyên): Hình 3.14 - Kết chạy phân bố hệ thống nối đất gồm cọc nối đất có độ dài tốn 2D chiều dài cọc thay đổi SVTH: Nguyễn Hoàng Minh MSSV:811175D 66 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Khi thay đổi khoảng cách cọc (các thơng sơ khác giữ ngun): Hình 3.15 - Kết chạy phân bố hệ thống nối đất gồm cọc nối đất có độ dài toán 2D thay đổi khoảng cách cọc Nhận xét: Dòng điện cố chạy từ điện cực tỏa môi trường xung quanh đất điện áp phân bố xung quanh điện cực có dạnh hyperbol Giá trị điện áp khu vực đất gần điện cực lớn, giá trị điện áp điện cực (tính đơn vị tương đối, giảm dần với điểm xa điện cực không xa vơ Khi chiều dài cọc nối đất tăng điện áp điểm tăng theo Các đường đẳng phân bố đối xứng xung quanh cọc nối đất Điểm hai điện cực chịu ảnh hưởng năm cọc nối đất SVTH: Nguyễn Hoàng Minh MSSV:811175D 67 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2.3 MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Thanh nối đất: Xét trường hợp vùng khảo sát có nối đất chôn sâu đất đoạn t hình 4.3, chiều dài l bề dày d, giả sử điện bề mặt (tính đơn vị tương đối) điện biên miền khảo sát (biên xem xa vô cùng), môi trường đất khảo sát đồng có điện trở  = số La x t H 1 d l y Hình 3.16 – Nối đất mặt phẳng – trường hợp nối đất Thông số nối đất cần nhập: - t=0 - l = 20 - d=2 - L0 = 20 - H = 41 - L = 41 Kết mơ phỏng: SVTH: Nguyễn Hồng Minh MSSV:811175D 68 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Hình 2.17 - Kết chạy phân bố hệ thống nối đất gồm nối đất SVTH: Nguyễn Hoàng Minh MSSV:811175D 69 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Khi thay đổi bề rộng thanh: Hình 3.18 - Kết chạy phân bố hệ thống nối đất gồm nối đất thay đổi bề rộng Khi thay đổi chiều dài thanh: Hình 3.19 - Kết chạy phân bố hệ thống nối đất gồm nối đất thay đổi bề rộng SVTH: Nguyễn Hoàng Minh MSSV:811175D 70 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Nhận xét: Dòng điện cố chạy từ điện cực tỏa môi trường xung quanh đất điện áp phân bố xung quanh điện cực có dạnh hyperbol Giá trị điện áp khu vực đất gần điện cực lớn, giá trị điện áp điện cực (tính đơn vị tương đối, giảm dần với điểm xa điện cực không xa vô Khi chiều dài cọc nối đất tăng điện áp điểm tăng theo Các đường đẳng phân bố đối xứng xung quanh 2.4 Hệ thống gồm hai điện cực: Xét hệ thống gồm hai điện cực với giả thiết điện bề mặt điện cực (tính đơn vị tương đối) điện biên miền khảo sát (biên xem xa vô cùng), môi trường đất khảo sát đồng có điện trở  = số Kết mơ phỏng: SVTH: Nguyễn Hồng Minh MSSV:811175D 71 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Hình 3.20 – Kết chạy phân bố hệ thống gồm điện cực Khi thay đổi độ chơn sâu: Hình 3.21 – Kết chạy phân bố hệ thống gồm điện thay đổi độ chơn sâu SVTH: Nguyễn Hồng Minh MSSV:811175D 72 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Khi thay đổi khoảng cách hai điện cực: Hình 3.22 – Kết chạy phân bố hệ thống gồm điện cực thay đổi khoảng cách hai điện cực Khi thay đổi bán kính cầu: Hình 3.23 – Kết chạy phân bố hệ thống gồm điện thay đổi khoảng bán kính hai điện cực SVTH: Nguyễn Hoàng Minh MSSV:811175D 73 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MƠ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Nhận xét: Dịng điện cố chạy từ điện cực tỏa môi trường xung quanh đất điện áp phân bố xung quanh điện cực có dạnh hyperbol Giá trị điện áp khu vực đất gần điện cực lớn, giá trị điện áp điện cực (tính đơn vị tương đối, giảm dần với điểm xa điện cực không xa vô Khi chiều dài cọc nối đất tăng điện áp điểm tăng theo Các đường đẳng phân bố đối xứng xung quanh điện cực Điểm hai điện cực chịu ảnh hưởng hai điện cực Bán kính điện cực ảnh hưởng đến phân bố 2.5 Hệ thống gồm bốn điện cực: Xét hệ thống gồm hai điện cực với giả thiết điện bề mặt điện cực (tính đơn vị tương đối) điện biên miền khảo sát (biên xem xa vô cùng), môi trường đất khảo sát đồng có điện trở  = số Kết mơ phỏng: SVTH: Nguyễn Hồng Minh MSSV:811175D 74 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Hình 3.24 – Kết chạy phân bố hệ thống gồm điện cực SVTH: Nguyễn Hoàng Minh MSSV:811175D 75 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ PHỎNG THẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Khi thay đổi khoảng cách điện cực: Hình 3.25 – Kết chạy phân bố hệ thống gồm điện cực thay đổi khoảng cách điện cực SVTH: Nguyễn Hoàng Minh MSSV:811175D 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.ĐIỆN TỪ - NGUYỄN THÀNH VẤN,NGUYỄN KIM ĐÍNH – ĐH QUỐC GIA TPHCM – ĐH KHOA HỌC TỰ NHIÊN – NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM 2004 2.KÝ THUẬT CAO ÁP TẬP 2(QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN) – HOÀNG VIỆT – ĐH QUỐC GIA TPHCM – ĐH KHOA HỌC BÁCH KHOA – NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM 2007 BÀI TẬP KÝ THUẬT CAO ÁP – HOÀNG VIỆT –ĐH QUỐC GIA TPHCM – ĐH KHOA HỌC BÁCH KHOA – NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM 2009