Ứng Dụng Phần Mềm Plux Mô Phỏng Phân Bố Cường Độ Điện Trường Trên Bề Mặt Cách Điện Của Đường Dây Tải Điện Trên Không

Trong quá trình vận hành hệ thống điện thì cách điện của đường dây cao áp và siêu cao áp được chọn theo quá điện áp thao tác và trong một số trường hợp khi đường dây đi trong vùng nhiều

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLUX MÔ PHỎNG PHÂN BỐ CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG TRÊN BỀ

MẶT CÁCH ĐIỆN CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG

1.Mở đầu.

Trên các đường dây tải điện trên không các dây dẫn của đường dây phải cách điện với nhau (giữa các pha nhau ) và cách điện đối với đất (cách điện giữa pha với đất) Để thực hiện sự cách điện đó dây dẫn được đặt hoặc treo trên cột bằng các cách điện sứ, thủy tinh hoặc cách điện composite, silicon, polymer… còn ở trong khoảng vượt dựa vào cách điện của không khí

Do đặc thù về vị trí địa lý của nước ta nên các đường dây tải điện phải đi qua các vùng có khí hậu bị ô nhiễm như: sương muối, sương mù, sương giá, các khu công nghiệp khai thác đá, than, vùng đất đỏ bazan

Trong quá trình vận hành hệ thống điện thì cách điện của đường dây cao áp và siêu cao áp được chọn theo quá điện áp thao tác và trong một số trường hợp khi đường dây đi trong vùng nhiều sét,

có điện trở nối đất lớn, còn được chọn theo quá điện áp sét.Tuy nhiên trong vận hành cho thấy đã xảy ra các phóng điện trên bề mặt chuỗi cách điện ngay ở cả điện áp làm việc bình thường khi trong lưới không có thao tác đóng cắt mạch điện cũng như không có giông sét trong vùng có đường dây đi qua

Các sự cố trên thường xuất hiện khi bề mặt cách điện bị ô nhiễm và trong thời tiết có mưa phùn, sương mù, sương giá, bụi bẩn, ô nhiễm là sự ngưng tụ các hạt trên bề mặt cách điện

Ô nhiễm có nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo:

Ô nhiễm tự nhiên là do sự ngưng tụ của muối biển (khi đường dây đi qua vùng duyên hải), cây cỏ, lông và phân chim trên bề mặt cách điện

Ô nhiễm nhân tạo là sự ngưng tụ của bụi do các hoạt động công nghiệp và nông nghiệp trên bề mặt cách điện

Khi mức cách điện khô ráo thì mức cách điện hầu như không bị giảm sút Ngược lại khi trời mưa, ẩm mức cách điện sẽ giảm tới mức đủ để gây phóng điện ngay cả ở điện áp làm việc bình thường, các phóng điện này có thể lặp lại và kéo dài, sau mỗi lần phóng điện bề mặt cách điện được sấy khô nhưng sau đó lại bị ướt để dẫn đến các phóng điện tiếp theo, trong vận hành

đã ghi nhận được các trường hợp thất bại của tự đóng lại khi bề mặt cách điện bị ô nhiễm trong thời tiết có mưa phùn, sương muối và bụi bẩn, gây gián đoạn việc cung cấp điện ảnh hưởng không nhỏ đến kinh tế và an ninh…

Hình1 : Phóng điện phá huỷ cách điện đường dây tải điện

Để khắc phục và phòng ngừa những sự cố phóng điện qua chuỗi cách điện do ảnh hưởng của môi trường giúp đường dây vận hành an toàn liên tục người ta đã nghiên cứu và ứng dụng phần mềm PLUX mô phỏng phân bố cường độ điện trường trên bề mặt cách điện của đường dây tải điện trên không để kịp thời phát hiện và phòng ngừa sự cố trên đường dây

Hiện nay, việc nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến cách điện của đường dây có thể được thực hiện bằng các nghiên cứu thực nghiệm hoặc xây dựng các mô hình nghiên cứu lý thuyết Một

mô hình động nghiên ảnh hưởng của môi trường đến hiện tượng phóng điện trên bề mặt cách điện được xây dựng, mô hình cho phép tính toán các tham số dòng điện, điện áp, vận tốc… của tia lửa điện dưới tác dụng quá điện áp thao tác dạng sóng chuẩn 250/2500µs Việc chọn dạng sóng quá

điện áp để tính toán là do trong quá trình vận hành hệ thống điện thì cách điện của đường dây cao

áp, siêu cao áp thường được chọn theo điều kiện quá điện áp thao tác

2 Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến cách điện đường dây trên không.

Trong thực tế, dưới ảnh hưởng của môi trường tự nhiên (mưa, sương mù, bụi, khói ) hoặc kết cấu hình dáng cách điện treo sẽ hình thành nên những vùng có điện dẫn cao và điện dẫn thấp xen kẽ nhau, sự phân bố các vùng đó sẽ ảnh hưởng đến cường độ điện trường trên bề mặt cũng như điện áp xảy ra phóng điện chọc thủng dọc theo chuỗi cách điện

Hình 2: Sự hình thành phân bố lớp bụi và phóng điện của cách điện đường dây trên không dưới

ảnh hưởng của môi trường

Để đánh giá ảnh hưởng các tham số của lớp bụi như điện dẫn, sự phân bố so với điện cực, chiều dày đến hiện tượng phóng điện trên bề mặt cách điện, mô hình nghiên cứu được xây dựng như hình 2

Mô hình có dạng hình đĩa tròn phẳng, bán kính 9mm gồm 7 lớp trong đó xen kẽ 3 lớp bụi

có cùng tính chất

Hình 3: Mô hình nghiên cứu Giả thiết khi xuất hiện phóng điện trên bề mặt, các tia lửa điện xuất hiện theo mọi hướng

và có các thông số như chiều dài, vận tốc… tại mọi thời điểm là như nhau, mỗi tia lửa lan truyền trên bề mặt một góc 2π/Narc (trong đó Narc là số tia lửa điện xuất hiện trên bề mặt)

Quá trình phát triển và lan truyền của mỗi tia lửa điện được mô hình hóa bằng phương pháp mạch điện tương đương RLC, mỗi bước phát triển tương ứng với trường hợp các đoạn RLC được mắc nối tiếp nhau

Hình 4: Mạch điện tương đương mô phỏng quá trình lan truyền

Trong đó Ri(x,t), Li(x,t) Ci(x,t), tương ứng là điện trở, điện cảm, điện dung bước thứ i R0,L0,

C0 là giá trị ban đầu cho trước của tia lửa điện, Rbi (x,t) là điện trở lớp bụi thứ i và Ir(t) là dòng điện

rò Theo phương pháp mạch điện tương đương ta có phương trình biểu diễn dòng điện và điện áp như sau :

( 1) ( 2)

Phương trình trên cho phép tính toán các tham số khác nhau như dòng điện, điện áp, vận tốc, bán kính tức thời của tia lửa điện tại thời điểm bất kì

Dòng điện, điện tích và điện áp được tính theo công thức sau:

( 3)

( 4 )

(5)

2.1 Tham số thay thế lớp bụi.

Điện trở lớp bụi được tính toán theo mô hình tuyến tính, trong đó điện trở của lớp bụi được coi là một hàm tuyến tính theo chiều dài bề mặt cách điện :

( 6) Trong đó L là chiều dài tổng bề mặt cách điện

2.1.2 Điện dung C b

Trong mô hình tính toán, điện dung lớp bề mặt Cb được tính theo phương trình:

(7)

Trong đó εb, Sb tương ứng là hằng số điện môi và diện tích của lớp bụi trên bề mặt cách điện Đối với trường hợp bề mặt phẳng: Sb=eb.l với eb, l là độ dày và chiều rộng của lớp bụi.

2.2 Tham số thay thế tia lửa điện.

2.2.1 Điện dung

Điện dung Carc là giá trị được tính từ đầu tia lửa điện đến điện cực đối diện theo công thức sau:

(8)

Với và hằng số điện môi trong vùng ion hóa bên trong tia lửa điện lấy bằng ε0

2.2.2 Điện trở

Điện trở của tia lửa điện được tính toán theo phương trình Mayr, trong đó giả thiết tia lửa điện có dạng hình trụ tròn với bán kính không đổi

(9)

Với τ là hằng số thời gian và Po là công suất tia lửa điện, được tính theo biểu thức :

(10) (11)

2.2.3 Bán kính

Do ảnh hưởng của lớp điện tích không gian xung quanh tia lửa điện, việc xác định bán kính trong thực tế bằng phương pháp thực nghiệm thường khó cho kết quả chính xác Trong mô hình tính toán, bán kính tia lửa điện được tính theo công thức Wilkins :

(12)

2.2.4 Vận tốc

Vận tốc tức thời được tính toán dựa theo phương pháp cân bằng năng lượng được đề xuất bởi Beroual :

dWc=βdWt (0 < β < 1) (13) Với mỗi bước phát triển dlj của tia lửa điện ta có :

(14)

Ta lại có: dWj(t)=dWt(t) cho bước thứ j, dlj=v jdt và T=T0, r j =r 0 từ đó nhận được:

(15) Vận tốc tức thời tia lửa điện được tính theo công thức :

(16)

Hay

(17)

Từ các tham số thay thế trên, tiến hành xây dựng thuật toán cho phép tính toán các tham

số của quá trình lan truyền tia lửa điện trên bề mặt dưới tác dụng của quá điện áp thao tác, trong

đó áp dụng tiêu chuẩn lan truyền tia lửa điện trên bề mặt của Hampton Kết quả tính toán cho phép đánh giá ảnh hưởng của điện trở và phân bố lớp bụi đến dòng điện, điện áp, vận tốc và bán kính… tại thời điểm bất kì khi xảy ra phóng điện trên bề mặt cách điện

Khởi tạo

L arc , U max , ρi , R 1 , L 1 , C 1

Tính Rpi, Ri, Li, Ci, Ii

Rpi > Ri Không lan truyền

Lan truyền

Xi < 0,9L Phóng điện

chọc thủng

Tính dRi, Ri, vi, dLarc, Larc

No

Yes

No

Yes

Tãng điện áp

Tính i(t), v(t), U(t),

Q(t), Rarc(t)

Hình 5: Thuật toán tính toán quá trình phát triển tia lửa điện

Trong đó L là khoảng cách giữa 2 điện cực: R1,L1, C1 là điện trở, điện cảm, điện dung ban đầu của tia lửa: Ri, Li, Ci, Ii tương ứng là điện trở, điện cảm, điện dung, dòng điện của mạch điện thứ i: Rbi là điện trở lớp bụi thứ i

3 Kết quả tính toán.

Trong phần tiếp theo, ảnh hưởng của sự phân bố lớp bụi đến quá trình lan truyền tia lửa điện sẽ được xem xét và tính toán trong hai trường hợp: lớp bụi có điện trở lớn gần điện cực dương và ngược lại Trong cả hai trường hợp, điện áp đặt có dạng quá điện áp thao tác 250/2500µs, phóng điện hồ quang xảy ra khi chiều dài tia lửa điện đạt giá trị 0.9L Giá trị cực đại điện áp đặt sẽ được tăng dần cho đến khi xảy ra phóng điện hồ quang, trong trường hợp này bằng +40kV

Tăng điện áp

3.1 Trường hợp lớp bụi có điện trở nhỏ gần điện cực dương và lớp bụi điện trở lớn gần điện cực âm.

Giả thiết lớp bụi gần điện điện cực dương có điện dẫn suất 100µs, trong khi đó các lớp còn lại được coi là lớp bụi khô có điện dẫn suất là 1µs, khoảng cách điện cực là 9mm Kết quả mô phỏng được thể hiện từ hình vẽ 6 đến hình vẽ 10 Qua kết quả ta nhận thấy điện áp phóng điện hồ quang (chọc thủng) bằng 36kV và xảy ra sau 108µs và ở sườn lên của điện áp, tia lửa điện gần như không phát triển ở khoảng thời gian 18µs đầu tiên, tuy nhiên sau đó tăng nhanh đạt giá trị 600m/s và tăng dần đạt mức 1000m/s ở giai đoạn cuối Trong quá trình lan truyền dòng điện, bán kính và điện áp tia lửa điện tăng dần và thay đổi khi đi qua các lớp bụi có điện trở khác nhau

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4 x 10

4

(µs)

Dien ap dat Sut ap Dien ap dau tia lua dien

Hình 6 : Điện áp

0 20 40 60 80 100 120 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

(µs)

Hình 7 : Dòng điện

0

200

400

600

800

1000

(µs)

Hình 8 : Vận tốc

0 20 40 60 80 100 120 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

-3

(µs)

Hình 9 : Bán kính

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-8

(µs)

Hình 10 : Điện tích

3.2 Trường hợp lớp bụi có điện trở lớn gần điện cực dương và lớp bụi điện trở nhỏ gần điện cực âm.

Trong trường hợp ngược lại, quá trình phóng điện hồ quang xảy ra ở điện áp 37,5kV và ở khoảng thời gian 125µs (Hình vẽ 11-15) Trong quá trình phát triển vận tốc, dòng điện, bán kính, điện tích của tia lửa điện khi lan truyền tương tự trường hợp khi lớp bụi điện trở nhỏ gần điện cực dương Qua đây ta thấy rằng, với cùng điện áp và hình dáng điện cực, thời gian xảy ra phóng điện

hồ quang (chọc thủng) xảy ra nhanh hơn khi lớp bụi có điện trở nhỏ gần điện cực dương

Thời gian xảy ra phóng điện chọc thủng tỉ lệ thuận với điện áp đặt và điện dẫn lớp bụi trên

bề mặt cách điện

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4 x 10

4

(µs)

Dien ap dat Sut ap Dien ap dau tia lua

Hình 11 : Điện áp tia lửa điện

0 20 40 60 80 100 120 140 0

200

400

600

800

1000

(µs)

Hình 12: Vận tốc

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

(µs)

Hình 13: Dòng điện

0 20 40 60 80 100 120 140 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5x 10

-3

(µs)

Hình 14: Bán kính

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

-8

(µs)

Hình 15: Điện tích

4 Ứng dụng phần mềm Flux mô phỏng phân bố cường độ điện trường trên bề mặt cách điện.

Trong thực tế, giá trị và sự phân bố của cường độ điện trường trên bề mặt vật liệu cách điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điện dẫn suất, sự phân bố của lớp bụi, ngoài ra còn có hằng

số điện môi của vật liệu cách điện Để làm rõ vấn đề trên, ảnh hưởng của tính chất lớp bụi và vật liệu cách điện sẽ được mô phỏng bằng phần mềm Flux dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn

Mô hình nghiên cứu là trường không đồng nhất dạng cực bản – mũi nhọn, trong đó điện cực mũi nhọn mang cực tính dương +50kV, lớp bụi phân bố không đồng nhất trên bề mặt và có điện dẫn suất σ=50µS, hằng số điện môi cách điện lấy bằng ε=5,5; do tính chất đối xứng, mô hình được xây dựng dưới dạng 2D

Hình16 : Mô hình dạng mũi nhọn – cực bản

Isovalues Results Quantity : Potential Volt Line / Value

1 / 500

2 / 5.4E3

3 / 10.3E3

4 / 15.1991E3

5 / 20.1E3

6 / 0.025E6

7 / 29.8991E3

9 / 39.7E3

10 / 44.6E3

Color Shade Results

Quantity : Potential Volt Scale / Color

0 / 3.125E3 3.125E3 / 6.25E3 12.5E3 / 15.625E3 15.625E3 / 18.75E3 0.025E6 / 28.125E3 34.375E3 / 37.5E3 40.625E3 / 43.75E3 46.875E3 / 0.05E6

Hình 17 : Phân bố điện thế tại điện cực

Color Shade Results

Quantity : |Electric field| V/m Scale / Color 188.71385E-6 / 132.5207E3 132.5207E3 / 265.04144E3 265.04144E3 / 397.56213E3 662.60356E3 / 795.12425E3 927.64494E3 / 1.06017E6 1.06017E6 / 1.19269E6 1.45773E6 / 1.59025E6 1.85529E6 / 1.98781E6

Quantity : Electric field V/m Max vector value : 2.066847e+006

Hình 18 : Phân bố cường độ điện trường tại mũi nhọn

9.999

19.999

30

40

(E3) mm

(E3) Volt

CURVE potential

Potential / Potential chemin_champ

100 200 300

(E3) mm

(E3) V/m

CURVE Module_champ

Field / Magnitude chemin_champ

Hình 19: Phân bố điện thế (a) và cường độ điện trường (b) trên bề mặt

-300 -200 -100 0 99.999

(E3)

(E3)

CURVE champnorm Field / Normal component chemin_champ CURVE champtangent Field / Tangent component chemin_champ

Hình 20: Phân bố cường độ điện trường thành phần tiếp tuyến và vuông góc

Từ các kết quả mô phỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn ta thấy rằng, trong trường hợp trường không đồng nhất, cường độ điện trường tập trung chủ yếu tại điện cực mũi

nhọn và giảm nhanh trên bề mặt vật liệu cách điện, sự xuất hiện và phân bố không đồng nhất của lớp bụi trên bề mặt sẽ làm thay đổi sự phân bố cường độ điện trường trên bề mặt, cường độ điện trường giảm tại vị trí xuất hiện lớp bụi, trong quá trình lan truyền phóng điện trên bề mặt thành phần tiếp tuyến của cường độ điện trường đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và lan truyền của tia lửa điện

5 Kết luận

Việc đánh giá ảnh hưởng của môi trường đến vật liệu cách điện hiện nay đang là vấn đề được quan tâm, nghiên cứu tại Việt Nam Nhiều đề tài nghiên cứu thực nghiệm đã được thực hiện, triển khai cho phép đánh giá các tham số của lớp bụi đến sự phóng điện và lão hóa vật liệu cách điện Bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng, ảnh hưởng môi trường đặc biệt là điện trở và phân bố lớp bụi đã được xem xét, đánh giá dưới ảnh hưởng quá điện áp thao tác (250/2500µs), trong đó thấy rằng trong trường hợp lớp bụi có điện trở nhỏ ( lớp bụi ẩm) ở gần điện cực phóng sẽ

có thời gian phóng điện chọc thủng ngắn hơn trường hợp ngược lại Các tham số tia lửa điện như dòng điện, vận tốc, bán kính, điện tích… thay đổi khi đi qua các lớp bụi có điện dẫn khác nhau và tăng nhanh khi phát triển gần đến điện cực đối diện Mô phỏng bằng phần mềm cho thấy cường

độ điện trường tập trung cao ở điện cực phóng và giảm nhanh trên bề mặt về phía điện cực âm

Do đặc thù về địa lý nên các đường dây tải điện của Việt Nam phải đi qua các vùng có khí hậu khác nhau nên các đường dây đi qua vùng khí hậu bị ô nhiễm thì cách điện thường xuyên phóng điện gây hư hại cách điện làm mất điện trên hệ thống ảnh hưởng không nhỏ đến kinh tế và

an ninh… để khắc phục tình trạng phóng điện qua chuỗi cách điện đòi hỏi phải có phương pháp tính toán lựa chọn cách điện cho các đường dây một cách hợp lý

Mô hình mô phỏng hiện tượng phóng điện trên cách điện chỉ ra rằng dưới ảnh hưởng của môi trường, trên bề mặt cách điện xuất hiện các lớp bụi có điện trở khác nhau, trường hợp lớp bụi

có điện trở nhỏ gần điện cực phóng sẽ cho thời gian phóng điện chọc thủng ngắn hơn trường hợp ngược lại Mô phỏng trường điện từ cũng chỉ ra rằng cường độ điện trường tập trung cao ở điện cực mũi nhọn