Tính toán tổng trở tản xung của hệ thống nối đất bằng các thuộc tính quá độ phụ thuộc tần số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRỊNH XN DŨNG ĐỀ TÀI: TÍNH TỔNG TRỞ TẢN XUNG CỦA HỆ THỐNG NỐI ĐẤT BẰNG CÁC ĐẶC TÍNH QUÁ ĐỘ PHỤ THUỘC TẦN SỐ LUẬN VĂN CAO HỌC CHUN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂM 2004 CÔNG TRÌNH NÀY ĐÃ ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS HOÀNG VIỆT CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: LUẬN VĂN ĐƯC BẢO VỆ TẠI HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM NGÀY _ THÁNG _ NĂM 2004 MỤC LỤC Mở đầu Chương 1: Các vấn đề chung sét nối đất Hệ thống điện 1.1 Quá điện áp khí đặc tính sét 1.2 Nối đất hệ thống điện Chương 2: Các phương pháp tính toán nối đất phụ thuộc tần số 2.1 Các phương pháp tính toán a Phương pháp đường dây truyền tải b Phương pháp trường điện từ 2.2 Phương pháp mạch điện để tính toán hệ thống nối đất a Mạch tương đương hệ thống nối đất b Tính ma trận tổng dẫn nút c Xác định ma trận tổng dẫn rò d Giải toán miền tần số phương pháp biến đổi Fourier 2.3 Biến đổi Fourier a Định nghóa b Biến đổi Fourier rời rạc c Biến đổi Fourier nhanh Chương 3: Giải thuật chương tr2nh tính toán 3.1 Giải thuật 3.2 Chương trình tính toán 3.3 Tập tin liệu đầu vào 3.4 Chạy chương trình môi trường Matlab Chương 4: Ứng dụng chương trình tính toán Tổng hợp kết Chương 5: Tổng kết Phụ lục - Chương trình tính toán - Các tập tin liệu - Tài liệu tham khảo 1-1 1-1 1-2 2-1 2-1 2-1 2-2 2-3 2-4 2-6 2-8 2-9 2-11 2-11 2-11 2-11 3-1 3-1 3-5 3-5 3-6 4-1 4-39 5-1 Luận văn Thạc só Mở đầu Hệ thống nối đất trạm có hiệu phải đảm bảo an toàn cho người bảo vệ thiết bị Việc phân tích tác động hệ thống nối đất chủ yếu phụ thuộc vào yếu tố: tính chất vật lý vật dẫn làm kết cấu lưới nối đất, đặc tính loại đất trạng thái dòng điện vào hệ thống nối đất Tính toán nối đất dòng điện tần số danh định biết rõ Tuy nhiên việc lập mô hình để tính toán độ hệ thống phụ thuộc tần số phức tạp Hiện phương pháp tính toán đáp ứng độ miền tần số đề cập nhiều, dựa lý thuyết trường điện từ kỹ thuật biến đổi Fourier tiếng, với thành tựu để ứng dụng kỹ thuật vào tính toán máy tính Ngày với phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin, đời nghững máy vi tính hệ có dung lượng nhớ lớn tốc độ nhanh, phần mềm ứng dụng mạnh thích hợp cho toán kỹ thuật Matlab, tạo thuận lợi nhiều để giải toán phức tạp toán độ hệ thống nối đất phụ thuộc tần số Luận án trình bày phương pháp tính toán đề gần đây, với nhiệm vụ lập chương trình máy tính để tính toán cho lưới nối đất trạm, giải số toán tiêu biểu trình bày kết Chương trình không giới hạn ứng dụng phạm vi toán đồ án này, mà sử dụng rộng rãi vào công tác thiết kế, tính toán cho hệ thống nối đất thực tế, dùng phục vụ cho việc học tập, nghiện cứuvậ nối đất, chẳng hạn xem xét ảnh hưởng yếu tố bên hệ thống nối đất lêân đáp ứng độ tản dòng sét Nội dung luận án gồm phần sau : Chương 1: Các vấn đề sét nối đất hệ thống điện Chương 2: - Một số phương pháp tính toán độ hệ thống nối đất thời gian gần đây, ưu nhược điểm phương pháp - Trình bày chi tiết nội dung phương pháp chọn để thực Trang Luận văn Thạc só - Phép biến đổi Fourier, biến đổi Fourier rời rạc (DFT) thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT) Chương 3: Thuật toán chương trình tính toán theo phương pháp chọn Chương 4: Tính toán cho toán cụ thể chương trình máy tính xây dựng.Trình bày kết tính toán so sánh với kết công bố , nhận xét Chương 5: Tổng kết : - Kết luận, nhận xét phương pháp tính toán thực , giá trị ứng dụng, hướng phát triển đề tài Phụ lục : - Nội dung chương trình tính toán (Matlab) - Các tập tin liệu - Tài liệu tham khảo Trang Luận văn Thạc só Chương CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ SÉT VÀ NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Quá điện áp khí đặc tính sét Sét phóng điện khí đám mây mặt đất, đám mây mang điện trái dấu Trước phóng điện có phân chia tích lũy mạnh điện tích đám mây giông tác dụng luồng không khí nóng bốc lên nước ngưng tụ đám mây Các đám mây mang điện kết phân tích điện tích trái dấu tập trung chúng phân tử khác đám mây Phần đám mây giông thường tích điện âm Các đám mây với mặt đất hình thành tụ điện, cường độ điện trường tụ điện mây-đất tăng dần vị trí điện trường đạt đấn trị số tới hạn 25-30 kV/cm không khí bị ion hóa bắt đầu trở nên dẫn điện Sự phóng điện sét chia làm giai đoạn Phóng điện đám mây mặt đất bắt đầu xuất dòng sáng phát triển xuống đất, chuyển động đợt với tốc độ 100-1000 km/s Dòng mang phần lớn điện tích đám mây, tạo nên đầu cực điện cao hàng triệu Volt Giai đoạn gọi giai đoạn phóng điện tiên đạo bậc Khi dòng tiên đạo vừa phát triển đến đất hay vật dẫn điện nối với đất giai đoạn thứ hai bắt đầu, giai đoạn phóng điện chủ yếu sét Trong giai đoạn này, điện tích dương đất di chuyển có hướng từ đất theo dòng tiên đạo với tốc độ lớn (6.104÷105 km/s) chạy lên trung hòa điện tích âm dòng tiên đạo Sự phóng điện chủ yếu đặc trưng dòng điện lớn qua chỗ sét đánh gọi dòng điện sét lóe sáng mãnh liệt dòng phóng điện Không khí dòng phóng điện nung nóng đến nhiệt độ khoảng 10.000°C giãn nở nhanh tạo thành sóng âm Ở giai đoạn phóng điện thứ ba sét kết thúc di chuyển điện tích đám mây mà từ bắt đầu phóng điện, lóe sáng biến Thường phóng điện sét gồm loạt phóng điện dịch chuyển điện tích từ phần khác đám mây Tiên đạo lần phóng sau theo dòng bị ion hóa ban đầu, chúng phát triển liên tục gọi tiên đạo dạng mũi tên Dòng điện sét ghi máy sóng có dạng hình 1-1.Hai tham số quan trọng dòng điện sét biên độ Im độ dốc đầu sóng a a= dis dt (1 Trang 1-1 Luận văn Thạc só Biên độ dòng sét không vượt 200 – 300 kA, trường hợp dòng sét lớn 100 kA Do tính toán, tùy theo tầm quan vật bảo vệ, thường lấy dòng điện sét khoảng 50 – 100 kA is (kA) Độ dốc cực đại đầu sóng dòng điện sét thường không 50 kA/μs Biên độ dòng sét lớn độ dốc đầu sóng lớn Với dòng điện sét tính toán 100 kA thường lấy độ dốc đầu sóng Im a trung bình 30 kA/μs, với dòng điện sét nhỏ thường lấy độ dốc 10 kA/μs t (μs) Trong hệ thống điện, điện áp khí đầu sóng phát sinh sét đánh trực tiếp vào vật đặt trời đường dây tải điện, thiết bị phân Hình 1-1 Dạng sóng dòng điện sét phối trời, v.v , sét đánh gần công trình Quá điện áp sét đánh trực tiếp nguy hiểm Đặc điểm điện áp khí tính chất ngắn hạn Phóng điện sét kéo dài vài chục micro giây điện áp tăng cao có tính xung 1.2 Nối đất hệ thống điện Hệ thống nối đất có tác dụng tản dòng điện cố giữ cho điện phần tử nối đất thấp Theo chức nó, hệ thống nối đất chia làm loại : Nối đất làm việc để bảo đảm làm việc trang thiết bị điều kiện làm việc bình thường cố theo chế độ qui định Đó nối đất điểm trung tính cuộn dây máy phát, máy biến áp, máy bù, máy biến áp đo lường, nối đất hệ thống pha- đất, Nối đất an toàn có nhiệm vụ bảo đảm an toàn cho người làm việc cách điện thiết bị bị hư hỏng gây rò điện, chẳng hạn nối đất vỏ máy phát, máy biến áp, vỏ thiết bị điện, vỏ cáp, v.v , tức phận kim loại mà điều kiện bình thường điện thế, cách điện bị xuyên thủng có điện khác không Nối đất chống sét nhằm làm tản dòng sét vào đất, giữ cho điện phần tử nối đất không cao để hạn chế phóng điện ngược từ phần tử đến phận mang điện thiết bị Đó nối đất cột thu sét, thiết bị chống sét, kết cấu kim loại bị sét đánh, Trong nhiều trường hợp, hệ thống nối đất thực đồng thời hai ba nhiệm vụ Các hệ thống nối đất thông thường thực cọc thép đồng đóng thẳng vào đất dẫn ngang chôn đất , tổ hợp cọc nối liền nhau.Cọc thường làm thép ống thép tròn đường kính từ đến 6cm, thép góc cỡ 40 x 40, 50 x 50 mm2 , ngang thường làm thép dẹp cỡ 20-40 mm, dày 3-5 mm, thép tròn đường kính 10 – Trang 1-2 Luận văn Thạc só 50mm Cọc gọi chung điện cực nối đất, thường chôn sâu cách mặt đất 50-80 cm để giảm bới ảnh hưởng thời tiết không thuận lợi tránh bị hư hỏng giới (do đào bới, ) Dòng điện Iđ chảy qua điện cực tản vào đất tạo nên đất quanh điện trường Mỗi điểm điện trường có điện định Trên mặt đất điểm cách xa điện cực (khoảng 20m) coi điện không Điện cực nối đất điện có điện không gọi điện áp cực Điện trở cực nối đất định nghóa tỉ số điện áp cực dòng điện qua nó: Rđ = Iđ (1 Điện trở Rđ gồm điện trở thân điện cực điện trở tản đất Điện trở thân điện cực phụ thuộc vào vật liệu kích thước cực Khi tản dòng chiều xoay chiều tần số công nghiệp điện trở thân điện cực bé bỏ qua Khi tản dòng xung có độ dốc lớn, ví dụ dòng sét, có giá trị đáng kể Điện trở tản đất phụ thuộc vào yếu tố hình dạng, kích thước, bố trí điện cực, dạng trị số dòng điện, tính chất, cấu tạo trạng thái đất Is C0 L0 r0 g0 C0 L0 g0 C0 r0 L0 g0 C0 r0 g0 Hình 1-2 Sơ đồ thay tản dòng sét qua điện cực nối đất Khi tản dòng sét, trình truyền sóng cực nối đất tương tự đường dây tải điện Tuy nhiên sơ đồ thay điện trở phân bố thân điện cực r0 nhỏ so với điện cảm L0 dòng qua điện dung C0 điện cực bé so với dòng qua điện dẫn tản g0 Khi dòng sét với độ dốc đầu sóng lớn chạy qua điện cực ban đầu từ thông thay đổi đột ngột nên điện cảm điện cực có tác dụng cản trở dòng điện sâu vào chiều dài nó, nên điện trở nối đất thời điểm ban đầu lớn, điện áp giáng đầu vào lớn giảm dần theo chiều dài điện cực, tức điện không phân bố điện cực.Ảnh hưởng điện cảm giảm dần theo thời gian, điện áp phân bố theo chiều dài điện cực trở nên trình độ kết thúc điện trở tản ổn định : R∞ = = R~ g0 l (1 Trang 1-3 Luaän văn Thạc só R∞ trị số điện trở tản dòng chiều dòng điện tần số công nghiệp trường hợp ảnh hưởng L0 không đáng kể Như ảnh hưởng điện cảm L0 thay đổi theo thời gian trình truyền sóng qua điện cực, nghóa phụ thuộc số thời gian trình độ T=L0g0l2 Khi tản dòng sét, trị số tản điện cực nối đất lớn nhất, gần lúc dòng sét đạt trị số cực đại t=τđs Nếu số thời gian trình độ T