ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ ĐÔ DUY THỨC MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRẠM BIẾN ÁP BẰNG PHƯƠNG PHÁP RBF-FD Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Phan Tú Cán chấm nhận xét : TS Trần Hoàng Lĩnh Cán chấm nhận xét : PGS TS Trương Việt Anh Luận thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 14 tháng 07 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS HỒ Văn Nhật Chương-Chủ tịch TS Nguyễn Nhật Nam - Thư ký TS Trần Hoàng Lmh - PB1 PGS TS Trương Việt Anh - PB2 PGS TS Phạm Đình Anh Khơi - ƯV Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) TRƯỞNG KHOA - ĐIỆN TỬ CHỦ TỊCHĐIỆN HỘI ĐỒNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒ A XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ ĐỖ DUY THỨC MSHV: 1670353 Ngày, tháng, năm sinh: 28/04 /1972 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: I Kỹ thuật điện Mã số : 60520202 TÊN ĐỀ TÀI: Mô hệ thống nối đất trạm biến áp phương pháp RBF-FDM II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Trình bày phương pháp RBF-FDM ứng dụng để giải tốn mơ lưới nối đất trạm biến áp, nhận xét III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo QĐ giao đề tài): 15/01/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài) 17/06/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS TS Vũ Phan Tú Tp HCM, ngày tháng năm 2018 NHIỆM DẪN BỘ MÔN ĐÀO TẠO CÁNCHỦ BỘ HƯỚNG (Họký) tên chữ ký) (Họ tên chữ TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) LỜI CÁM ƠN Lời xin gởi lời đáp tạ đến PGS-TS Vũ Phan Tú người gợi ý, hướng dẫn thực đề tài người ln khuyến khích động viên tơi vượt qua trở ngại nhiều mặt để hoàn thành tập luận văn Tôi xin chân thành cám ơn Quý Thầy Cô Khoa Điện - Điện tử trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh trao cho kiến thức quý báu, cho sai sót để tự hồn thiện từ giúp thêm niềm đam mê nghiên cứu khoa học Đe hoàn thành việc học tập hoàn chỉnh tập luận văn này, tạo đỉều kiện tốt thời gian anh Bùi Văn Hồng - Giám đốc Truyền tải điện Tp Hồ Chí Minh, điều khơng dễ thực tình hình sản xuất căng thẳng Tôi nhận giúp đỡ, động viên bạn đồng nghiệp Nguyễn Xn Bình - Trưởng phòng Kế hoạch - Vật tư Truyền tải điện Miền đơng 2, người có nhã ý cho tơi mượn kết tính tốn phương pháp FEM để so sánh Và cuối cùng, không phần quan trọng, Cha Mẹ, người bạn đời tôi, người tin tưởng vào kết học tập lúc tơi thất vọng nhất, điều giúp tơi có nhiều động lực để hoàn thành hai năm học hoàn chỉnh tập luận văn Xin chân thành cảm tạ Học viên LÊ ĐỖ DUY THỨC TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài luận văn “Mô hệ thống nối đất trạm biến áp phương pháp RBF-FD” đề tài nghiên cứu giải toán phân bố điện hệ thống nối đất trạm biến áp có dòng điện (sét, rò điện, đóng cắt ) qua phương pháp số, cụ thể phương pháp hàm bán kính kết hợp sai phân hữu hạn, gọi tắt RBF-FD (Radial Basis Function Finite Difference) Nội dung luận văn gồm có chương: Chương 1: Tổng quan Chương giới thiệu tổng quan vấn đề luận văn, mục tiêu, tầm quan trọng phạm vi nghiên cứu đề tài Chương 2: Hệ thống nối đất toán phân bố điện hệ thống nối đất Chương giới thiệu sơ nét chức cấu trúc hệ thống nối đất quy định TCVN 9358-2013 tiêu chuẩn IEEE Std 80-2013; lý thuyết sở toán phân bố điện hệ thống nối đất Chương 3: Phương pháp RBF-FD giải toán trường điện từ Chương trình bày chi tiết phương pháp RBF-FD tổng quát ứng dụng giải tốn trường điện từ Chương 4: Mơ cọc nối đất phương pháp RBF-FD Chương trình bày cách phân tích giải tốn phân bố điện cọc nối đất hình trụ phương pháp RBF-FD Chương 5: Mô hệ thống lưới nối đất phương pháp RBF-FD Chương trình bày cách phân tích giải toán phân bố điện số dạng lưới nối đất phương pháp RBF- FD Chương 6: Phân tích hệ thống nối đất trạm biến áp thực tế So sánh kết tìm với quy định TCVN 9358-2013 tiêu chuẩn IEEE Std 80 - 2013, nhận xét Chương 7: Kết luận Kết luận chung hướng phát triển đề tài Trong chương 3, 4, 5, trọng tâm luận văn tìm hiểu phương pháp RBFFD, áp dụng giải toán phân bố điện hệ thống nối đất phân tích kết so với số tình thực tế Do phương pháp tương đối nghiên cứu toán điện từ, tài liệu khơng nhiều nên q trình nghiên cứu áp dụng khơng thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong Q Thầy Cơ bạn học viên, đồng nghiệp góp ý để hồn thiện tương lai ABSTRACT The topic of this thesis: “Simulation of substation grounding system by Radial Basis Function - Finite Different Method” is the one in which the problem of potential distribution on grounding system of a transformer substation during current flowing through (lightning, leakage, switching ) is studied by numerical method, particularly, Radial Basis Function Finite Difference Method (RBF-FDM) The content of this thesis includes these following chapters: Chapter 1: General This chapter basically introduces the topic, goal, the importance and research domain Chapter 2: Grounding system and the problem of potential distribution on grounding system This chapter generally describes the function and construction of grounding system which are ruled by TCVN 9358 2012 and IEEE Std 80-2013; basic theory of potential distribution on grounding system problem Chapter 3: RBF-FDM in solving electro-magnetic problem This chapter presents in detail about RBF-FDM and its application in solving electromagnetic problem Chapter 4: Simulating rod electrode by RBF-FDM This chapter describes how to analyze and solve the problem of potential distribution on cylindrical rod electtode by RBF-FDM Chapter 5: Simulating grounding grid system by RBF-FDM This chapter describes how to analyze and solve the problem of potential distribution on some types of grounding grid system by RBF- FDM Chapter 6: Analyzing grounding grid system of real transformer substations Compares the results with regulations in TCVN 9358-2012 and IEEE Std 80-2013, remarks Chapter 7: Conclusions General conclusions and future works Chapters 3, 4, 5, are main focus of the thesis: studying RBF-FDM, applying to solve the problem of potential distribution on grounding grid system and analyzing the results in comparison with some real situations Because RBF-FDM is one of relatively new methods in studying electromagnetic problems, there are few reference documents so mistakes are unavoidable during research and application, I wish to have comments from Teachers, trainees and my partners to improve in future LỜI CAM ĐOAN Với việc nộp luận văn này, tơi xin cam đoan: • Bản luận văn tốt nghiệp với đề tài “Mô hệ thống nối đất trạm biến áp phuong pháp RBF-FD” tơi thực dựa nguồn tài liệu tham khảo nêu mục ‘Tài liệu tham khảo” • Các số liệu, kết tính tốn, code lập trình luận văn tơi thục phần mềm Matlab, phiên R2014a; số liệu, kết tính tốn trích dẫn từ nguồn khác đuợc rõ nguồn tham khảo chủ yếu để dùng so sánh với kết tính tốn luận văn, khơng phải liệu Tơi xin chịu trách nhiệm tính trung thục luận văn theo lời cam đoan nêu chịu xử lý theo quy định có chứng rõ ràng cho thấy luận văn có sụ chép từ tài liệu khác hoặc/và liệu không trung thục MỤC LỤC MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THỆU CHUNG 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.3 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI 1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Chương HỆ THĨNG NĨI ĐẤT VÀ BÀI TỐN PHÂN BĨ ĐIỆN THẾ TRÊN HỆ THÓNG NÓI ĐẤT .6 2.1 HỆ THÓNG NÓI ĐẤT .6 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Cấu tạo hệ thống nối đất 2.1.3 Q trình tản dòng điện vào đất 2.1.4 Điện trở suất đất 10 2.1.5 Điện trở nối đất 10 2.1.6 Yêu cầu an toàn điện áp bước điện áp tiếp xúc 12 2.2 BÀI TỐN PHÂN BĨ ĐIỆN THẾ TRÊN HỆ THĨNG NĨI ĐẤT 13 2.3 CÁC PHUONG PHÁP GIẢI 15 2.3.1 Phương pháp giải tích 15 2.3.2 Phương pháp biến đổi Laplace 16 2.3.3 Phương pháp số 17 Chương PHUONG PHÁP RBF-FD TRONG GIẢI BÀI TOÁN TRUỜNG ĐIỆN TỪ 18 3.1 PHUONG PHÁP KHƠNG LUỚI HÀM CO SỞ BÁN KÍNH (RBF) 18 3.1.1 Đặt vấn đề 18 3.1.2 Tổng quan phương pháp không lưới 19 3.1.3 Hàm sờ bán kính RBF 21 Lê Đỗ Duy Thức - 2018 3.1.4 Nội suy với hàm sở bán kính RBF .22 3.1.5 Ma trận hàm xác định dương 22 3.1.6 Giải thuật hàm sở bán kính RBF 24 3.2 PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU HẠN .25 3.3 GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH BÃNG PHƯƠNG PHÁP LẶP 28 3.3.1 Phương pháp Jacobi, JOR 28 3.3.2 Phương pháp Gauss - Siedel, SOR 30 3.3.3 Giải toán sai phân hữu hạn phương pháp lặp 31 3.4 PHƯƠNG PHÁP HÀM SỞ BÁN KÍNH KẾT HỢP SAI PHÂN HỮU HẠN RBFFD 32 3.4.1 Thiết lập công thức vi phân theo cách tiếp cận thứ [11] 34 3.4.2 Thiết lập công thức vi phân theo cách tiếp cận thứ hai [12] 35 3.5 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP RBF-FD GIẢI BÀI TOÁN BENCHMARK .38 3.5.1 Bài toán Benchmark 38 3.5.2 Giải toán Benchmark phương pháp giải tích .39 3.5.3 Giải toán Benchmark phương pháp RBF-FD 39 3.5.4 Chọn phương pháp lặp, giá trị c ũ) cho tốn mơ 46 Chương MƠ PHỎNG cọc NĨI ĐẤT BÃNG PHƯƠNG PHÁP RBFFD 4.1 47 BÀI TỐN PHÂN BĨ THẾ TRÊN cọc NĨI ĐẤT .47 3.1 MƠ PHỎNG CỌC NĨI ĐÁT VỚI PHÂN BĨ ĐỊNG NHÁT 47 3.2 MÔ PHỎNG CỌC NĨI ĐÁT VỚI PHÂN BĨ KHƠNG ĐỊNG NHÁT 51 Chương MƠ PHỎNG HỆ THỐNG LƯỚI NĨI ĐÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP RBF- FD 56 5.1 CÁU TẠO LƯỚI NÓI ĐÁT .56 5.2 Cơ SỞ TÍNH TOÁN 56 5.3 GIẢI THUẬT TÍNH TOÁN .57 5.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 59 5.4.1 Lưới nối đất 70x70m khơng có cọc 60 5.4.2 Lưới nối đất 70x70m có bố trí cọc xung quanh chu vi 64 5.4.3 Lưới nối đất 70x84m khơng có cọc 69 5.4.4 Lưới nối đất 70x84m có bố trí cọc xung quanh chu vi 73 Lê Đỗ Duy Thức - 2018 I'- K' FEM -RBF-FD -FDM Hình 5.61 So sánh kết tính tốn phân bổ điện phương pháp tỉnh y = 18m vàx = -18m (lưới 105x70 có cọc) So sảnh két lưới 70xỉ05m có cọc khơng có cọc Sữ sánh kết mơ trường hợp có cọc khơng có cọc cho thấy trường hợp cỏ cọc điện tăng giúp cải thiện điện áp tiếp xúc (Hình 5.62) (a) Phân bố điện trục X y = (c) Phân bố điện trục y X = (b) Phân bố điện biên y phải (b) Phân bố điện đường chéo Hình 5.62 So sánh kết tính tốn phân bổ điện mặt đất lưới 70x84m cỗ cọc (màu xanh cây) khơng có cọc (màu đỏ) 5.4.7 Nhân xét kết tính tốn thu Tỏng kết sổ liệu thu từ tốn mơ kết cấu lưới nối đất theo Bảng 5.7 Bảng 5.7 Tổng kết số liệu Atp - Trên mặt đất, vùng có lưới nối đất, độ chênh lệch điên điểm gần thấp nên điện áp bước thấp - Điện lưới nối đất gần lpu nên thiết bị nối với lưới mang điện lpu Khỉ người chạm vào thiết bị, nhờ điện phân bố mặt đất vùng có lưới nối đất cao nên điện áp tiếp xúc thấp - Khỉ bố trí cọc dọc chu vi lưới, khả tản dòng điện tăng lên nên điện khu vực chu vỉ lưới tăng lên làm giảm độ chênh lệch điện điểm mặt đất (điện áp bước) giảm độ chênh lệch điện lưới nối đất mặt đất (điện áp tiếp xúc) thuật Việc bố trí cọc làm tăng thêm phí nên phải tính tốn kỉnh tế, kỹ thiết kế nên bố trí vị trí cần tản nhanh dòng điện khu vực quanh máy biến áp, quanh thiết bị chống sét, khu vực biên lưới nối đất (hàng rào trạm) - Đối với phương pháp tính khác kết khơng giống hồn tồn phương pháp phân tích, phân bố điểm sai sổ phương phảp giả thiết ban đầu tốn nhìn chung kết cỗ đồng dạng phương pháp tính 5.5 KHẢO SÁT Sự THAY ĐỔI Độ CHÔN SÂU CỦA LỮỚI NỐI ĐẮT Phần khảo sát kết mô khỉ thay đổi độ chơn sâu lưới đất 70x70m khơng có bố trí cọc, trường hợp lưới nối đất khác tương tự Ptvtl Cộ HVDffQJhKlVHNa nir*v 4r> rwfl'liri [«rriH.U.nt*T [