Trong đó [9] :
tstart(µs) : Thời gian bắt đầu xuất hiện dịng sét
tstop(µs): Thời gian kết thúc mơ phỏng dịng sét
tf(µs) : Thời gian đầu sóng
Sm(
µs) : Độ dốc tối đa của dịng sét
Imax(kA): Trị đỉnh dịng điện sét
Tính tốn các thành phần R,L,C theo cơng thức mơ hình PI. Ở đây ta chia điện cực ra thành các đoạn 20m, 40m ,60m ,80m và 100m để khảo sát. Chia nhỏ mơ hình điện cực thành các phân đoạn có độ dài 10m sau đó kết nối lại với nhau. Từ đó tính tốn ra được mỗi đoạn mơ hình có thơng số lần lượt là [5]. Sử dụng các công thức
(3.1)
(3.2)
(3.3)
(3.4)
Sử dụng các thơng số tính tốn bằng tay ở trên để xây dựng mơ hình điện cực nối đất hình PI trên EMTP Works.
Nhập các giá trị vừa tính tốn vào các thành phần R,L,C đã kéo vào EMTP Works
Từ tính tốn và sử dụng các thành phần R,L,C như trên trong thư viện EMTP Works ta lập được mơ hình mạch như sau.
Hình 3.13:Nhập thơng số tính toán R,L,C vào trong EMTP Works
các điện dẫn G1,G4 tượng trưng cho các đoạn của điện cực. Chọn dấu tick vào v để EMTP hiển thị đồ thị điện áp theo thời gian đặt trên các đoạn của điên cực hoặc tick vào dấu i để hiển thị đồ thị dòng theo thời gian đặt trên các đoạn của điện cực.
Ta có thể chỉnh sửa thời gian mơ phỏng và tính tốn trên EMTP Works qua chức năng Simulation Options. Trong mơ hình trên ta chọn thời gian bước mơ phỏng là Δt = 0.001 µs , thời gian mơ phỏng tối đa tmax = 100 µs
Thờ i
Hình 3.14: Xuất đồ thị điện áp theo thời gian trên các đoạn của điện cực trong mơ phỏng mơ hình trên EMTP Works
gian bước mơ phỏng Δt càng nhỏ tính tốn càng chính xác tuy nhiên thời gian cũng như khối lượng tính tốn sẽ tăng lên. Thời gian tính tốn mơ phỏng cũng phụ thuộc vào độ dài thời gian mô phỏng tmax . Nếu tỉ số thời gian bước mô phỏng trên độ dài thời gian mô phỏng Δt /tmax
càng lớn thì thời gian tính tốn càng lâu.
Sau khi hồn thiện ta chạy mơ phỏng sau đó sử dụng cơng cụ Scope để xem đồ thị điện áp theo thời gian trên các điện dẫn G1,G3,G4 ứng với các đoạn chiều dài điện cực
Hình 3.16 : Kết quả mơ phỏng trên EMTP Works điện áp trên điện cực nối đất theo thời gian trên các vị trí 0m,20m,40m bằng mơ hình PI
Nhận xét : Đồ thị điện áp tại các điểm càng gần điện cực thì càng có trị đỉnh và độ dốc
lớn. Tuy nhiên mối quan hệ giữa trị đỉnh, độ dốc với vị trí trên điện cực khơng tuyến tính với nhau do quan sát thấy từ 0 – 20m trị đỉnh và độ dốc đặc biệt giảm mạnh. Đặc biệt tại điểm đầu của điện cực do hiệu ứng phóng điện ngược nên điện áp tiến về âm một khoảng thời gian rồi sau đó mới ổn định và trở về 0. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả mô phỏng từ EMTP Modelling Of Grounding Electrodes của N.D. Hatziargyriou M.I. Lorentzou [3]
Hình 3.17 : Kết quả mơ phỏng trên EMTP Works điện áp trên điện cực nối đất theo thời gian trên các đoạn 60m, 80m, 100m dọc điện cực nối đất bằng mơ hình PI
Nhận xét: Mối quan hệ giữa trị đỉnh, độ dốc với vị trí trên điện cực khơng tuyến tính
với nhau nhưng độ chênh lệch lúc này nhỏ dần khơng cịn lớn như giữa các vị trí đầu điện cực.Đặc biệt tại điểm cuối điện cực trị đỉnh xuống rất nhỏ xuống mức an tồn khơng gây điện áp bước nguy hiểm cho người đứng gần cọc nối đất. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả mô phỏng từ EMTP Modelling Of Grounding Electrodes của N.D. Hatziargyriou M.I. Lorentzou [3] Chiều dài Trị đỉnh (V) 0 m 14463.21 20 m 4292.35 40 m 597.87 60 m 148.758 80 m 48.257
0 20 40 60 80 100 120 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 14463.21 4292.35 597.87 148.758 48.257 30.261 Trị đỉnh (V) Chiều dài (m) Đ iệ n á p ( V )
Hình 3.18 : Đồ thị điện áp trị đỉnh phân bố theo chiều dài điện cực nối đất bằng mơ hình PI
Nhận xét : Điện áp từ đầu điện cực đến cuối điện cực giảm dần nhưng khơng tuyến tính.
Hình 3.6 : Kết quả mơ phỏng trên EMTP Works dịng điện theo thời gian trên các đoạn 0m, 20m, 40m dọc điện cực nối đất bằng mơ hình PI
Fortran (hay FORTRAN) là một ngơn ngữ lập trình biên dịch, tĩnh, kiểu mệnh lệnh được phát triển từ thập niên 1950 và vẫn được dùng nhiều trong tính tốn khoa học hay phương pháp số.
Ngôn ngữ Fortran chuyên được sử dụng để thực hiện các biển thức tốn phức tạp, các tính tốn hàm truyền, vịng lặp, các tính tốn địi hỏi độ chính xác cao ứng dụng trong các lĩnh vực vật lý, hóa học, tốn học ...Ngơn ngữ Fortran có các câu lệnh và cú pháp tương đối giống một số ngôn ngữ như Pascal, C/C++ nhưng ngắn gọn và đặc trưng hơn các ngôn ngữ trên. Sử dụng chương trình biên dịch Code Blocks (chương trình có mã nguồn mở và miễn phí) để viết cũng như biên dịch bằng ngôn ngữ Fortran77
Theo phương pháp Jmarti, sự phụ thuộc tần số của trở kháng đặc tính Zc (ω) và hằng số đáp ứng lan truyền A (ω) được tính tốn trong mơ phỏng . Trong đó sử dụng chương trình tính tốn viết bằng ngơn ngữ lập trình Fortran77. Sử dụng các lệnh tạo vòng lặp và chương trình con giúp ta dễ dàng kiểm sốt được phổ tần số tính tốn cũng như dữ liệu xuất ra.
Trong chương trình dưới đây ta tính trở kháng tổng Z, trở kháng tự thân cọc nối đất Zi và điện nạp Y, hằng số đáp ứng lan A (ω) cũng như trở kháng đặc tính Zc (ω) trên điện cực nối đất theo miền tần số từ 1 Hz – 9MHz. Xuất ra kết quả cả ở dạng phức cũng như dạng pha và biên độ
Chương trình u cầu các thơng số như hằng số điện môi của đất, độ dẫn điện của đất, sai số cho phép, chiều dài điện cực nối đất, bán kính điện cực nối đất cũng như kiểu chơn của điện cực.
Sau khi tính tốn được ra các thơng số trên, ta đưa dữ liệu vào file iddata của Matlab sau đó tìm xấp xỉ được hàm truyền đặc trưng cho Zc (ω ) và A (ω ) theo số poles và zeros thiết lập (Mơ hình mẫu trong EMTP chọn 25). Từ đó tìm đc k và p và đưa vào mơ hình dữ liệu ( file pun) trong EMTP và mơ phỏng bằng FD model.
Từ đó ta chọn hằng số điện mơi của đất khô (esoil = Ɛr =5 ) [11] do cọc nối đất thường được chôn ở những nơi khô ráo. Độ dẫn điện của đất tại Việt Nam dao động từ 0.2 - 1.2 [12] ta chọn ssoil = σe=1.0 ms/cm. Độ chính xác tol=0.01( sai số 1%) . Cọc đồng có
đường kính 4 cm, chiều dài 100m chơn nằm ngang ở độ sâu 0.6m
Sau khi chạy chương trình ta có kết quả tại tần số f = 50 hz như sau.
Zc(w) = ( 0.11220343711158269 , 0.10867959272181886 ) Y Total = ( 15.372353045243461 ,-0.10713403703892724 ) Z Total = ( 3.9574830532740073E-005, 1.5867894416761246E-003) Zi = ( 1.8202176002152501E-005, 1.3212599367043266E-005) A(w) = ( 0.99927506763153584 , -7.1151711050008179E-004)
Tính tốn bằng tay
Phương trình Sunde tính tốn điện dẫn tự thân cọc đồng Yc
(3.9)
Bảng 3.4 :Hằng số điện mơi của một số loại vật chất theo Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ số 29.[11]
(3.10)
Dòng điện thứ tự thuận trên tự thân cọc đồng
(3.11)
Phương trình Sunde cho điện trở tự thân của cọc đồng hình trụ
(3.8) Kết quả tính tốn được từ chạy chương trình.
Zi = ( 1.8202176002152501E-005, 1.3212599367043266E-005) Sai số so với tính tốn bằng phần mềm
Trong EMTP ta sử dụng mơ hình đường dây phụ thuộc tần số (Frequency dependent line) sử dụng các số liệu tính tốn được ở các chương trình trước để mơ phỏng.
Mơ hình đường dây phụ thuộc tần số tính tốn dựa theo sơ đồ nguyên lý sau :
Trong đó [9] dựa trên cơng thức hàm truyền đạt của Zc (ω) và A (ω)
(3.5) KZ: kj của hàm truyền ước tính theo Zc (ω)
PZ: pjcủa hàm truyền ước tính theo Zc (ω)
KA: kj của hàm truyền ước tính theo A (ω)
nZ KZ PZ nA KA PA
Nhập vào chương trình tính tốn trên Fortran 77 theo chiều dài cần mơ phỏng trên EMTP 0m (nhập gần đúng là 0.01 m) , 20m, 40m, 60m, 100m. Các thông số khác được nhập như sau Độ chôn sâu 0.06 m, hằng số điện môi của đất khô (esoil = Ɛr =5), độ dẫn điện của đất ssoil = σe=1.0 mS/cm, bán kính cọc nốt đất 0.02 (m) sai số cho phép tol = 0.001 (1%).
Sau khi có dữ liệu đáp ứng tần số của trở kháng đặc trưng Zc (ω ) và hàm số lan truyền A (ω ) của điện cực nối đất tính tốn bằng chương trình viết trên Fortran 77. Ta sử dụng chương trình viết bằng Matlab để tìm hàm truyền trên miền s của cả Zc (ω ) và A (ω ) và phân tích ra theo cơng thức (3.5) để tìm , , từ đó làm cơ sở dữ liệu cho mô phỏng. Sử dụng các hàm sau trong Matlab [14] :
Hàm FRD : >> frd(response,frequency) hàm thành lập dữ liệu đáp ứng tần số có chứa
đáp ứng (response) và tần số (frequency) để nhập dữ liệu tính tốn từ chương trình viết bằng Fortran ở trên. ( Response chứa dữ liệu dạng số phức Zc (ω ) và A (ω ), frequency chứa dãy tần số từ 1-9 MHZ)
Hàm chgFregUnit : >> chgFreqUnit(sys,newfrequnits) thay đổi đơn vị tần số từ rad/s
sang Hz
Hàm TFEST : >> tfest(data,np,nz) ước tính hàm truyền ( miền s ) từ dữ liệu đáp ứng
tần số frd (data) đã thành lập trước đó với số cực (np) và số zeros (nz) là 25 do tính tốn trong EMTP cho đường dây FD tính với số cực (np) và số zeros (nz)chuẩn là 25.
Hàm POLE :>> P = pole(sys) tìm các poles ( ) trong hàm truyền
Hàm ZERO: >> P = pole(sys) tìm các zero ( ¿ trong hàm truyền
Trong đó sau khi Matlab ước tính được hàm truyền từ dữ liệu đáp ứng tần số mà ta
nhập vào ra dạng (3.25 ) ta sử dụng các phương pháp phân tích của Laplace ngược như sau để phân tích ra thành dạng tổng các phân thức đơn giản.
Dùng hàm POLE ta tìm được . Sau khi tìm được các ta tìm bằng cách chạy vịng lặp trong Matlab sử dụng cơng thức sau.
(3.26)
Sau khi tính tốn ra được , , và đưa các dữ liệu vào file pun trong EMTP. Ta sử mơ hình dường dây phụ thuộc tần số trong EMTP sau đó chọn đường dây. Chọn file dữ liệu đã thực hiện bằng cách vào mục Time – domain model data from Line Data chọn Select
Data File rồi chọn file có đi là .pun chứa dữ liệu đã tính tốn từ Matlab.
Hình 3.23 : Mơ hình đường dây phụ thuộc tần số trong EMTP
Hình 3.25 : Module Vscope trên EMTP
Từ đó xây dựng mơ hình như sau với
dịng sét được tiêm vào đầu của
điện cực
So sánh điện áp thu nhận được giữa hai mơ hình JMARTI và mơ hình PI với điện cực nối đất có độ dài 1 m bán kính 0.0039m chơn ngang sâu 0.5 m dưới mặt đất với dịng sét 30kA 3/10µs , hằng số điện môi của đất khô (esoil = Ɛr =5), độ dẫn điện của đất ssoil = σe =1.0 mS/cm, bán kính cọc nốt đất 0.02 (m) sai số cho phép tol = 0.001 (1%), điện trở suất đất 100Ω.m
Hình 3.26: Mơ hình điện cực nối đất theo mơ hình phụ thuộc tần số JMARTI trên EMTP.
Hình 3.27: So sánh đồ thị điện áp tại đầu điện cực nối đất (1m) giữa mơ hình PI và mơ hình JMARTI với các thơng số điện cực nối đất và dịng sét tương tự nhau.
với mơ hình PI dù hai mơ hình có dạng đồ thị điện áp như nhau. Thời gian điện áp trở về không cũng lớn hơn so với mơ hình PI. Kết quả mơ phỏng phù hợp với kết quả mô phỏng từ EMTP Modelling Of Grounding Electrodes của N.D. Hatziargyriou M.I. Lorentzou [3]
Sử dụng lại mơ hình điện cực nối đất chơn ngang và thơng số dịng CIGRE dùng ở mục 3.3.1 so sánh với mơ hình JMARTI ta được kết quả tại vị trí 20m trên điện cực nối đất
dài 100m
Hình 3.28: So sánh đồ thị điện áp trên điện cực nối đât tại vị trí 20m giữa mơ hình PI và mơ hình JMARTI
Nhận xét : Dạng sóng điện áp của hai mơ hình là như nhau. Tuy nhiên điện áp tính
tốn của mơ hình Jmarti lớn hơn mơ hình Pi khi xét cùng vị trí quan sát. Mơ hình sau đó chạy ra các kết quả có phần tương đồng về dạng đồ thị điện áp nhưng lại lớn hơn về trị đỉnh điện áp ở mơ hình Jmarti so với mơ hình PI tại các vị trí quan sát khác như 0m, 40m ,60m ,80m và 100m trên điện cực nối đất dài 100m.
80 m 73.216
100 m 41.255
trí khác nhau trên điện cực giữa mơ hình PI và mơ hình JMARTI trên điện cực dài 100m. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 3000 6000 9000 12000 15000 18000
So sánh trị đỉnh diện áp các vị trí trên điện cực giữa 2 mơ hình
Jmarti Pi
Chiều dài điện cực(m)
Đ iệ n á p ( V )
Hình 3.29 : Đồ thị so sánh giá trị đỉnh điện áp các vị trí trên điện cực nối đất giữa mơ hình PI và mơ hình JMARTI
Nhận xét : Tại mơ hình Jmarti điện áp tại các vị trí càng gần đầu điện cực nối đất thì
độ chênh lệch giá trị đỉnh so với mơ hình PI càng lớn. Mơ hình Jmarti ln ra giá trị đỉnh điện áp lớn hơn so với mơ hình PI và có tính chính xác cao hơn do tính đến sự phụ thuộc tần số của các thành phần điện cảm, điện dung trong điện cực nối đất. Vì vậy việc phân tích sử dụng mơ hình Jmarti để đảm bảo tính chính xác cũng như an toàn trong việc nối đất cho các hệ thống điện cao thế là cần thiết.
Xây dựng mơ hình điện cực nối đất chơn dọc thơng qua mơ hình Jmarti
Trên thực tế các cọc tiếp địa đa số thường được chơn dọc nhiều hơn chơn ngang. Vì vậy dựa trên nhu cầu thực tế, cần xây dựng mơ hình điện cực nối đất chơn dọc bằng cả hai mơ hình để đem lại kết luận chính xác.
Hình 3.30: Đồ thị điện áp tại vị trí đầu của điện cực khi chôn dọc so với khi được chôn nằm ngang và có cùng thơng số
Hình 3.31 : Đồ thị điện áp tại vị trí đầu của điện cực khi chơn dọc so sánh giữa 2 mơ hình PI và JMARTI khi có cùng thơng số
Nhận xét : Điện áp trên điện cực chơn dọc và chơn ngang khi có dịng sét đi qua có
dạng đồ thị điện áp tương đồng nhau. Tuy nhiên trị đỉnh điện áp điện cực chôn ngang lớn hơn so với điện cực chôn dọc một khoảng tương đối lớn. Tương tự khi so sánh với mơ hình PI ta thấy sự chênh lệch lớn trong 2 đồ thị điện áp khi áp dụng phương pháp chôn dọc cho điện cực nối đất. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả mô phỏng từ EMTP Modelling Of Grounding Electrodes của N.D. Hatziargyriou M.I. Lorentzou [3] . Các mô phỏng trên phù hợp với cơ sở lý thuyết và cơ sở thực tế về điện cực nối đất.
TRÊN MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY THỰC TẾ
4.1) PHÂN TÍCH DỮ LIỆU THỰC TẾ
4.1.1) Hệ thống đường dây truyền tải 220kV Phú Lâm – Bình Tân.
Đường dây 220 kV Phú Lâm - Hóc Mơn do Cơng Ty Truyền Tải Điện 4 quản lý, đây là tuyến đường dây huyết mạch liên kết mạch vòng với Trung tâm Điện lực Phú Mỹ (Phú Mỹ - Cát Lái - Thủ Đức - Hóc Mơn - Phú Lâm và Phú Mỹ - Nhà Bè - Phú Lâm). Đường dây được xây dựng và đưa vào vận hành năm từ 1985, làm nhiệm vụ cung cấp điện cho TP.HCM, có tổng chiều dài tồn tuyến khoảng 17,8 km, đi qua các quận 12, Bình Tân và huyện Hóc Mơn.
Dữ liệu thực tế sử dụng được cung cấp từ Công ty Cổ Phần Tư Vấn Xây Dựng Điện 2 (PECC2). Ta lấy đường dây truyền tải 220kV Phú Lâm – Bình Tân để xây dựng mơ hình trên EMTP. Với chiều dài từng khoảng vượt được dựa theo Quy Phạm Trang Bị Điện [7], chiều dài khoảng vượt đối với cấp 220kV là 300m.
Đường dây khảo sát Phú Lâm – Bình Tân