Các mô hình sử dụng trong mô phỏng EMTP

3.2.1. Xây dựng mô hình đƣờng dây.

Hình 3.6. Mô hình đường dây trong EMTP/ATP.

Hình 3.6 là mô hình đƣờng dây trong chƣơng trình EMTP. Các phần tử cần đƣa vào trong mô hình nhƣ cột điện, đƣờng dây, nguồn xoay chiều tần số 50Hz, nguồn dòng xung sét.

Để sét sự ảnh hƣởng của sóng phản xạ từ các cột lân cận, đƣờng dây sẽ đƣợc mô phỏng bởi 5 cột với 3 khoảng cột ở mỗi phía mà điểm sét đánh vào (hình 3.6). Chiều dài của mỗi khoảng cột đƣợc ghi trên hình 3.6. Mỗi khoảng cột đƣợc thay thế bởi mô hình LCC - J.Marti’s trong EMTP [21]. Mô hình J.Marti’s sẽ tính toán sự thay đổi tổng trở sóng của dây dẫn theo các tần số khác nhau.

8.02 5.09 5.22 5.22 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Thanh thuỷ - Hà Giang Hà Giang-TĐ Tuyên Quang TĐ Tuyên Quang - Yên Bái Tuyên Quang- Bắc Cạn-Thái Nguyên

Hai nguồn AC1 và AC2 đƣợc kết nối với 2 đầu đƣờng dây thông qua một ma trận tổng trở. Ma trận này có tác dụng triệt tiêu sóng phản xạ từ 2 đầu đƣờng dây. Ta có thể thay thế tổng trở đó đơn giản bởi đƣờng dây đủ dài.

Hình 3.7 thể hiện các thông số cột, dây dẫn, dây chống sét đƣợc nhập vào trong mô hình LCC

- Ph.No là vị trí dây dẫn, dây chống sét. Các vị trí từ 1 đến 6 là vị trí dây dẫn. Vị trí 7,8 là vị trí dây chống sét (DCS) (hình 3.8).

- Rin, Rout là bán kính trong, bán kính ngoài của dây dẫn, DCS. - Horiz khoảng cách theo phƣơng ngang của dây dẫn hoặc DCS tới

tâm cột.

- Vtower khoảng cách so với mặt đất.

- Vmid = Vtower – f. f là độ võng của dây dẫn hoặc DCS. - Separ : khoảng cách pha (cm)

- NB : số dây dẫn/1pha.

3.2.2. Mô hình cột.

Hình 3.8. Mô hình cột sử dụng trong chương trình EMTP.

Mô hình cột đƣờng dây 220kV đƣợc thay thế bởi mô hình nhiều phân đoạn [22] (hình 3.8) Các trị số tổng trở sóng Zt1 = Zt2 = Zt3 = 220. Zt4 = 150.

Vận tốc truyền sóng trong cột v = 3.108 m/s Hằng số thời gian truyền sóng trên cột  = h/v Hằng số suy giảm dọc theo cột  = 0.8944

Các giá trị điện trở R1 = r1.h1, R2 = r1.h2, R3 = r1. h3, R4 = r2. h4 L1 = R1. , L2 = R2. , L3 = R3. , L4 = R4. 

Trong đó các trị số điện trở đơn vị r1, r2 tính theo công thức (3.1) và (3.2)

. . . / ( 3.1)

. 4. . / ( 3.2)

Hệ thống nối đất chân cột đƣợc thay thế trong chƣơng trình EMTP bởi một điện trở tuyến tính R với giá trị điện trở đo đƣợc từ thực tế.

3.2.3. Sóng sét.

Sóng sét đƣợc mô phỏng bởi một nguồn dòng dạng dốc Slope – ramp (hình 3.9) nhƣ khuyến cáo của Ametani [22]. Tổng trở sóng của sét đƣợc thay thế bởi một điện trở tuyến tính có giá trị 1000 mắc song song với nguồn dòng. Các tham số của nguồn dòng nhƣ hình 3.10. Do sét là một hiện tƣợng ngẫu nhiên, nên việc giả định dòng sét với xung chuẩn 1,2/50 s là một hạn chế. Thực tế thì ta không thể đoán trƣớc đƣợc tham số của những cú sét đánh xuống đƣờng dây. Các đại lƣợng Amplitude, T0, A1,T1 là các giá trị ngẫu nhiên. Theo nghiên cứu của CIGRE [6] cho thấy sự phân bố các tham số của sét theo các hàm phân bố xác suất log chuẩn.

Hình 3.9. Dạng sóng nguồn dòng Slope – ramp.

Trong đó

T0 : thời gian đầu sóng (s).

Amplitude : cƣờng độ dòng điện tại thời điểm T0 (kA) T1 : thời gian đuôi sóng (s).

A1 : cƣờng độ dòng điện tại thời điểm T1 (kA)

3.2.4. Mô hình chuỗi cách điện và mô hình mỏ phóng.

Chuỗi cách điện đƣờng dây 220kV gồm 15 bát sứ với chiều dài mỗi bát là 146mm sẽ đƣợc thay thế bởi một điện dung với trị số 100pF/1 bát sứ [11]. Trên mỗi chuỗi cách điện đƣợc trang bị hai mỏ phóng ở hai đầu để bảo vệ chuỗi cách điện. Khe hở phóng điện tạo bởi hai mỏ phóng trên chuỗi cách điện đƣợc mô phỏng bởi mô hình phóng điện ngƣợc trong EMTP. Đồ án này sử dụng phƣơng pháp phát triển tia tiên đạo của Montoyama [21] để mô phỏng quá trình phóng điện trên chuỗi cách điện. Phƣơng pháp của Montoyama xét đến những thông số đặc biệt của sự phóng điện và những đặc tính vật lý liên quan đến cơ chế phóng điện. Phƣơng pháp này dựa vào các kết quả thí nghiệm để đƣa ra các công thức giải tích. Bằng việc giải một tập hợp các phƣơng trình khác nhau, ngƣời ta đã tính toán đƣợc sự phát triển của tia tiên đạo, và sau đó ta thu đƣợc đƣờng đặc tính volt – giây của chuỗi cách điện.

3.2.5. Mô hình chống sét van.

Chống sét van sử dụng trong mô phỏng là loại chống sét van có khe hở (EGLA). Loại chống sét van này đã đƣợc lắp đặt thử nghiệm trên tuyến 220kV Uông Bí – Tràng Bạch và sẽ đƣợc triển khai trên toàn tuyến Hà Giang – Thuỷ Điện Tuyên Quang – Yên Bái. Chống sét van loại có khe hở bao gồm một điện trở phi tuyến có đặc tính nhƣ hình 3.11 nối tiếp với một mỏ phóng có chiều dài khe hở là 1m.

Hình 3.11. Đặc tính chống sét van có khe hở (EGLA).

3.3. Xác định các tham số ngẫu nhiên.

Các tham số của nguồn dòng sét, tham số điện trở nối đất, thời gian mà sét đánh vào đƣờng dây so với góc pha điện áp pha A hay là điểm mà sét đánh vào đều là các tham số ngẫu nhiên. Tuy nhiên việc chọn các biến này phải tuân theo hàm mật độ xác suất của chúng.

3.3.1. Biên độ dòng sét, thời gian đầu sóng, thời gian đuôi sóng.

Mỗi tham số của dòng sét đều có một phân bố xác suất theo hàm xác suất log chuẩn. Trong đồ án này sử dụng phân bố xác suất đƣợc khuyến cáo bởi CIGRE [15] (bảng 3.1). Hình 3.12 và 3.13 chỉ ra phân bố mật độ xác suất của trị số cƣờng độ dòng sét và trị số thời gian đầu sóng tf sử dụng trong mô phỏng.

Bảng 3.1. Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của các biến [13].

Tham số

Phân bố log chuẩn

Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn 

Im (kA) 34 0,74

tf (s) 2 0,4943

Hình 3.12. Hàm phân bố mật độ xác suất của cường độ dòng sét sử dụng trong mô phỏng.

3.3.2. Phân bố góc của cú sét.

Hình 3.14 thể hiện phân bố góc của cú sét theo hàm phân bố g() xác định theo công thức (3.3) [23]. Các tham số của phân bố góc sét đƣợc lấy trong bảng 3.2, với các giá trị m khác nhau thì phân bố góc sét cũng khác nhau. Các cú sét có phân bố góc trải dài từ -900 tới 900 nhƣng tập trung chủ yếu quanh giá trị 00. Ta sẽ chọn m = 2 theo khuyến cáo của IEEE [23] để thực hiện mô phỏng.

( ) . ( 3.3)

Bảng 3.2. Tham số của phân bố góc sét.

Hình 3.14. Phân bố góc của cú sét.

3.3.3. Phân bố điện trở chân cột.

Trị số điện trở chân cột đƣợc chọn ngẫu nhiên từ các trị số điện trở thống kê đƣợc của từng tuyến đƣờng dây. Phân bố điện trở của từng tuyến thể hiện trong phần 3.1 m Km 0 1/ 1 1/2 2 2/ 3 3/4 4 8/3 5 15/16

3.3.4. Thời điểm xảy ra sét đánh.

Thời điểm xảy ra sét đánh vào đƣờng dây so với góc pha điện áp pha A đƣợc chọn ngẫu nhiên từ 00 – 3600 theo phân bố đều.

3.4. Kết quả mô phỏng tính toán suất cắt bốn tuyến đƣờng dây 220kV.

Ta tiến hành chạy mô phỏng với bốn tuyến đƣờng dây: Thanh Thuỷ - Hà Giang, Hà Giang – TĐ Tuyên Quang, TĐ Tuyên Quang – Yên Bái, Tuyên Quang- Bắc Cạn - Thái Nguyên. Kết quả sau khi mô phỏng thể hiện trên hình 3.15. Ngoài ra trên hình 3.15 còn thể hiện suất cắt do sét theo thống kê từ năm 2006 tới năm 2012 và suất cắt do sét tính đƣợc từ phƣơng pháp cổ điển [24]. Trong phƣơng pháp cổ điển tính với trị số điện trở là trị số cao nhất của tuyến đƣờng dây (tuyến Thanh Thuỷ - Hà Giang lấy trị số điện trở 40, ba tuyến còn lại lấy trị số điện trở là 30). Từ đó ta rút ra một số nhận xét nhƣ sau: Sua t c at (lan/ 100k m.nam) 0 2 4 6 8 10

Suat cat theo thong ke SFFOR tính theo monte carlo BFR tinh theo monte carlo phuong phap co dien

Thanh Thuy Ha Giang Ha Giang Tuyen Quang Tuyen Quang Yen Bai Tuyen Quang Bac Can Thai Nguyen

Hình 3.15. So sánh suất cắt của một số đường dây theo thống kê với kết quả tính theo phương pháp Monte Carlo và phương pháp cổ điển.

- Đƣờng dây Thanh Thuỷ - Hà Giang có trị số suất cắt do sét là cao nhất (8,26 lần/100km.năm) trong đó suất cắt do sét đánh vào dây dẫn ~1,4 lần/100km.năm. Đƣờng dây này có trị số điện trở khá cao (trị số điện trở trung bình của toàn tuyến là ~15 trong khi các tuyến còn lại có trị số điện trở trung bình dƣới 8) dẫn đến suất cắt do sét của tuyến đƣờng dây này là cao nhất.

- Do sử dụng cùng một loại cột cho nên suất cắt do sét đánh vào dây dẫn của các tuyến đƣờng dây này xấp xỉ bằng nhau (~1,5 lần/100km.năm). Suất cắt do sét đánh vào dây dẫn chiếm khoảng 20% suất cắt tổng cộng (tuỳ thuộc vào từng tuyến đƣờng dây).

- So sánh kết quả thu đƣợc với kết quả tính suất cắt theo thống kê cho thấy độ tin cậy của phƣơng pháp này. Với đƣờng dây Thanh Thuỷ - Hà Giang, suất cắt do sét tính theo phƣơng pháp Monte Carlo là 8,26 lần/100km.năm, suất cắt do sét theo thống kê của đƣờng dây này là 8,02 lần/100km.năm. Đƣờng dây Tuyên Quang – Yên Bái có suất cắt tính đƣợc là 5,67 lần/100km.năm so với 5,22 lần/100km.năm theo thống kê.

- Phƣơng pháp cổ điển tính suất cắt do sét với trị số điện trở cao nhất của tuyến đó. Chỉ có một số cột trên tuyến mới có trị số điện trở cao nhƣ vậy. Mặc dù vậy kết quả tính toán cho thấy sai số khá lớn khi so với thực tế. Ví dụ tuyến Thanh Thuỷ - Hà Giang suất cắt tính đƣợc chỉ có 5,6 lần/100km.năm trong khi theo thống kê đƣờng dây này có suất cắt là 8,02 lần/100km.năm.

- Suất cắt do sét phụ thuộc khá nhiều vào mật độ giông sét (Ng), hoạt động của giông sét rất phức tạp và thay đổi theo từng năm, từng vùng, hơn nữa đƣờng dây truyền tải lại trải dài cho nên rất khó đánh giá chính xác trị số mật độ giông sét chung của cả tuyến đƣờng dây. Đƣờng dây càng ngắn thì trị số Ng càng chính xác. Điều này dẫn tới sai số trong quá trình tính toán suất cắt do sét. Ví dụ khi mật độ giông sét thay đổi tử 8,2 lần/1km2.năm lên 10,9 lần/1km2.năm, trị số suất cắt do sét tính cho đƣờng dây Thanh Thuỷ Hà Giang tăng lên từ 8,26 lần/100km.năm lên 10,97 lần/100km.năm.

Phần sau sẽ chỉ ra ảnh hƣởng của các tham số dòng sét tới trị số suất cắt do sét tính theo phƣơng pháp Monte Carlo.

3.4.2. Phân bố cƣờng độ dòng sét gây ra phóng điện khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vƣợt. hoặc khoảng vƣợt.

Hình 3.16 chỉ ra phân bố cƣờng độ dòng sét gây ra phóng điện khi sét đánh vào đỉnh cột tại bốn tuyến đƣờng dây. Các trị số cƣờng độ dòng sét trải dài từ 50kA tới

trong dải từ 100kA tới 150kA. Đƣờng dây Thanh Thuỷ - Hà Giang có trị số điện trở khá cao nên trị số cƣờng độ dòng sét xảy ra phóng điện tập trung cao ở trị số 100kA, các tuyến còn lại có giá trị điện trở thấp hơn nên trị số cƣờng độ dòng sét tập trung nhiều ở trị số 120kA. Khi mà trị số điện trở R tăng, phần điện áp đặt lên hệ thống nối đất (I.R) cũng tăng tƣơng ứng làm cho điện áp đặt lên chuỗi cách điện tăng theo. Vì vậy trị số cƣờng độ dòng sét gây phóng điện sẽ giảm đi.

Xuất hiện những cú sét có cƣờng độ rất cao (lớn hơn 200kA) đánh vào đƣờng dây nhƣng xác suất gây ra phóng điện của chúng lại thấp, nguyên nhân là do xác suất xuất hiện những cú sét có cƣờng độ lớn hơn 200kA là rất thấp. Mặc dù giá trị phân bố dòng điện sét dao động quanh giá trị trung bình 34kA nhƣng xác suất các cú sét đánh vào đỉnh cột gây ra phóng điện lại tập trung quanh trị số 100kA là do cƣờng độ dòng sét nhỏ nhất đánh vào đỉnh cột gây ra phóng điện là ~55kA.

3.4.3. Phân bố giá trị thời gian đầu sóng tf của cú sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vƣợt gây phóng điện. khoảng vƣợt gây phóng điện.

Hình 3.17. Phân bố giá trị thời gian đầu sóng của những cú sét đánh vào đỉnh cột gây ra phóng điện.

Mặc dù thời gian đầu sóng của dòng sét phân bố quanh trị số 2s (hình 3.13) nhƣng trị số thời gian đầu sóng tf của những cú sét đánh vào đỉnh cột gây phóng điện lại phân bố quanh trị số trung bình 1,5s (hình 3.17). Các trị số tf có xác suất gây ra phóng điện cao nhất nằm trong khoảng từ 1s tới 1,6s. Các cú sét có thời gian đầu sóng tf lớn hơn 4s thì ít có xác suất phóng điện thấp hơn do xác suất xuất hiện những cú sét có tham số tf >4s rất thấp. Ta thấy rằng các cú sét có giá trị thời gian đầu sóng tf càng nhỏ thì càng dễ gây ra phóng điện trên chuỗi cách điện. Điều này dễ hiểu vì khi đó phần điện áp giáng lên thân cột xác định theo công thức (3.4) chủ yếu phụ thuộc vào thành phần điện cảm của thân cột. Trị số điện trở chân cột trong trƣờng hợp này ảnh hƣởng rất ít tới trị số Ucđ.

3.4.4. Mối quan hệ giữa cƣờng độ dòng sét và giá trị thời gian đầu sóng tf khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vƣợt gây phóng điện. sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vƣợt gây phóng điện.

Hình 3.18. Mối quan hệ giữa cường độ dòng sét và giá trị thời gian đầu sóng tf khi sét

đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vượt gây phóng điện.

Hình 3.18 chỉ ra mối quan hệ giữa cƣờng độ dòng sét và thời gian đầu sóng tf của những cú sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vƣợt gây phóng điện. Các hình tam giác màu đen thể hiện các cú sét có tham số cƣờng độ I và thời gian đầu sóng tf gây phóng điện. Các dấu chấm màu ghi thể hiện các cú sét không gây ra phóng điện. Với trị số thời gian đầu sóng ~0,4s thì cƣờng độ dòng điện sét gây ra phóng điện rất thấp (~55kA), những cú sét có trị số thời gian đầu sóng tf > 5s để gây ra phóng điện thi cƣờng độ của nó phải rất cao (Ic = 250kA đối với tuyến đƣờng dây thuỷ điện Tuyên Quang – Yên Bái). Khi trị số thời gian đầu sóng tăng thì trị số cƣờng độ dòng sét gây phóng điện cũng tăng theo.

3.4.5. Mối quan hệ giữa cƣờng độ dòng sét và giá trị điện trở cột khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc khoảng vƣợt gây ra phóng điện. vào đỉnh cột hoặc khoảng vƣợt gây ra phóng điện.

Hình 3.19 thể hiện mối quan hệ giữa các cƣờng độ dòng sét và giá trị điện trở cột khi sét đánh vào đỉnh cột hoặc giữa khoảng cột và gây ra phóng điện. Các hình tam giác màu đen thể hiện cƣờng độ dòng sét gây ra phóng điện tại các cột. Các dấu chấm màu ghi thể hiện các cú sét không gây ra phóng điện. Ta rút ra một số nhận