63192 article text 168528 1 10 20211112 2677

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU ĐẾN HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN TRÊN BỀ MẶT CÁCH ĐIỆN THE EFFECT OF DC VOLTAGE ON THE DISCHARGE PHENOMENA AT INSULATOR SURFACE Đặng Việt Hùng, Nguyễn Duy Minh Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 22/01/2021, Ngày chấp nhận đăng: 21/05/2021, Phản biện: TS Nguyễn Mạnh Quân Tóm tắt: Bài báo trình bày đánh giá ảnh hưởng điện áp chiều (DC) đến tượng phóng điện bề mặt cách điện, thực mơ hình hóa mơ tượng phóng điện dựa phương pháp mạch điện tương đương RLC Mơ hình xây dựng cho phép mô đánh giá ảnh hưởng điện áp DC đến trình lan truyền tia lửa điện bề mặt vật liệu cách điện; thông số q trình điện tích, điện trở, bán kính, dịng điện, điện áp, vận tốc mơ dựa mơ hình động Mơ hình cho phép đánh giá giá trị điện áp đặt, phân bố lớp điện dẫn bề mặt cách điện đến trình lan truyền phóng điện tồn phần tia lửa điện Từ khóa: Tia lửa điện, phóng điện bề mặt, điện áp chiều, mạch điện tương đương Abstract: This paper deals with the effect of direct voltage (DC) on the discharge phenomena at insulator surface A model and perform simulations of discharge phenomena base on RLC equivalent circuit method The described model allows to simulate and evaluate the effect of DC voltage to the propagation of electrical arc on the insulator surface; parameters of this process such as electric charge, resistance, radius, current, voltage, velocity are simulated based on dynamic model The model also allows estimating of voltage rating and conductive layer distribution on insulator surface to the arc propagation and flashover Keywords: Arc, discharge propagation, DC voltage, equivalent electrical network ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, với phát triển khoa học công nghệ, hệ thống truyền tải điện cao áp chiều (HVDC) ngày sử dụng rộng rãi thực tế nhiều nước vai trị truyền tải điện cơng suất lớn Trong trình 12 truyền tải, đường dây HVDC qua nhiều khu vực khác nhau, cách điện đường dây chịu ảnh hưởng môi trường ô nhiễm, tác dụng điện trường cao đường dây làm xuất hiện tượng phóng điện bề mặt cách điện gây tổn thất, phá hỏng cách điện ảnh hưởng Số 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đến độ tin cậy vận hành đường dây truyền tải Việc nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng điện áp mơi trường đến q trình bắt đầu lan truyền tia lửa điện cách điện đường dây quan trọng việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Hiện nay, việc nghiên cứu tượng phóng điện cách điện thực nghiên cứu thực nghiệm phịng thí nghiệm thực thơng qua mơ hình hóa mơ tượng [1,2,3] Bài báo sử dụng phương pháp mơ hình động nhằm mơ hình hóa mơ tượng, trình lan truyền tia lửa điện mơ hình bước phát triển mạch điện tương đương RLC [3], điều kiện lan truyền theo tiêu chuẩn biết, tham số điều kiện ảnh hưởng tới trình lan truyền xác định MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Để đánh giá ảnh hưởng điện áp thông số bề mặt đến trình lan truyền tia lửa điện, báo xây dựng mơ hình mơ trường hợp mặt phẳng, lớp nhiễm phân bố khơng đồng bề mặt; mơ hình gồm lớp, lớp ô nhiễm lớp xen kẽ xét cho trường hợp lớp gần điện cực dương (hình 1) Hình Mơ hình mơ Q trình lan truyền mơ hình hóa phương pháp mạch điện tương Số 26 đương Trong đó, giả thiết điều kiện lan truyền thỏa mãn tia lửa điện phát triển bước, bước thay đoạn mạch RiLiCi Do vậy, trình lan truyền tương ứng với việc đoạn mạch RLC mắc nối tiếp Mơ hình mơ thể hình 2; Vđ điện áp đặt, RiLiCi tương ứng điện trở điện dung đoạn mạch thứ i, Rb điện trở lớp bề mặt tính từ đầu tia lửa điện đến điện cực đối điện R0 L0 Ri(x,t) Li(x,t) C0 Vd(t) Rbi(t) Ir(t) Ci(x,t) Hình Mơ hình mạch điện tương đương RLC Giả thiết thời điểm ban đầu tia lửa điện có độ dài xo với giá trị R0L0C0, Ir dịng điện rị, ta có dịng điện điện áp bước thứ i xác định theo: 𝑑𝐼𝑖 (𝑡) 𝑑𝑡 𝑑𝑉𝑖−1 (𝑡) 𝐼𝑖 (𝑡) = 𝐼𝑖−1 (𝑡) − 𝐶𝑖−1 𝑑𝑡 𝑑𝐼0 (𝑡) 𝑉đ (𝑡) − 𝑉0 (𝑡) = 𝑅0 𝐼0 (𝑡) + 𝐿0 𝑑𝑡 𝑑𝐼1 (𝑡) 𝑉0 (𝑡) − 𝑉1 (𝑡) = 𝑅1 𝐼1 (𝑡) + 𝐿1 𝑑𝑡 𝑑𝑉0 (𝑡) 𝐼0 (𝑡) = 𝐼1 (𝑡) + 𝐶1 𝑑𝑡 𝑉𝑖−1 (𝑡) − 𝑉𝑖 (𝑡) = 𝑅𝑖 𝐼𝑖 (𝑡) + 𝐿𝑖 𝐼1 (𝑡) = 𝐼𝑟 (𝑡) + 𝐶1 𝐼𝑟 (𝑡) = 𝑉1 (𝑡) 𝑅𝑏1 𝑑𝑉1 (𝑡) 𝑑𝑡 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Từ phương trình (3)-(7) viết lại dạng sau: 𝑌(𝑡) = 𝐴𝑋(𝑡) + 𝐵𝑈(𝑡) (8) Trong đó: 𝑌(𝑡) = (10) 3.3 Điện trở tia lửa điện 𝑉đ (𝑡) U(t) = [ ] 0 Với A, B tham số ma trận trạng thái, U(t) Y(t) tương ứng giá trị đầu vào đầu Phương trình (8) cho phép tính tốn thời điểm giá trị tương ứng với bước phóng điện điện áp V0 Vi, dịng điện I0 Ii Trong trường hợp xảy tượng phóng điện tồn phần, dịng điện điện áp tương ứng xác định If(t)=IN(t) Vf(t)= Vđ(t)-VN(t), với N tổng số bước phát triển tia lửa điện THAM SỐ MƠ HÌNH THAY THẾ 3.1 Điện trở lớp bề mặt Điện trở lớp bề mặt xác định theo mơ hình đề xuất RenyuZhicheng [4] có dạng sau: (9) Trong δ điện dẫn suất, r bán kính đầu tia lửa điện L, x(t) tương ứng chiều dài bề mặt phóng điện chiều dài tia lửa điện thời điểm t 14 𝑆𝑏 𝐿−𝑋 Trong εb, Sb số điện mơi diện tích lớp bề mặt Trong trường hợp bề mặt phẳng ta có Sb= eb.l với eb, l tương ứng chiều rộng chiều dài lớp bề mặt 𝑉0 (𝑡) 𝑉 (𝑡) X(t) = [ ] 𝐼0 (𝑡) 𝐼1 (𝑡) 𝐿 − 𝑥(𝑡) 𝑙𝑛 𝜋𝛿 𝑟 Điện dung lớp bề mặt xác định theo mơ hình sau: 𝐶𝑏 = 𝜀𝑏 𝑑𝑋(𝑡) 𝑑(𝑡) 𝑅𝑏 (𝑡) = 3.2 Điện dung lớp bề mặt Điện trở tia lửa điện tính tốn theo phương trình Mayr [5] với giả thiết tia lửa điện có dạng hình trụ trịn với bán kính không đổi 𝑑 1 𝑉𝑎𝑟𝑐 (𝑡)𝐼𝑎𝑟𝑐 (𝑡) − 1) [ln ] = ( 𝑑𝑡 𝑅𝑖 𝜏 𝑃𝑜 (11) Với Varc, Iarc, tương ứng điện áp, dòng điện tia lửa điện, số thời gian tia lửa điện τ=100μs; theo giả thiết Mayr, giá trị nhiệt dẫn nhiệt độ bên tia lửa điện số, cơng suất tia lửa điện xác định sau: P0=Earc.Iarc 3.4 Điện dung tia lửa điện Trong mơ hình mơ phỏng, điện dung đầu tia lửa điện (Carc) tính từ đầu tia lửa điện đến điện cực đối diện theo công thức sau [6]: ∞ 𝐶𝑎𝑟𝑐 (𝑡) = 4𝜋𝜀𝑜 𝑟 𝑠ℎ(𝛼) ∑[𝑠ℎ(𝑛𝛼)]−1 (12) 𝑛=1 𝐿−𝑥(𝑡) Trong đó: 𝑐𝑜𝑠ℎ(α) = 𝑟 với r bán kính tia lửa điện tính tốn theo mơ hình Wilkins [6] 𝐼𝑎𝑟𝑐 (𝑡) 𝑟(𝑡) = √ 1,45𝜋 Số 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 3.5 Điện cảm tia lửa điện KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Điện cảm tia lửa điện xác định theo mơ hình tính tốn đề xuất [8], giả thiết điện cảm gồm hai thành phần: điện cảm lượng từ trường tích lũy tia lửa điện điện cảm từ trường xạ dòng điện tia lửa điện Bài báo thực mơ hình hóa mơ cho trường hợp bề mặt lớp cách điện phẳng có bán kính 15 cm, gồm 05 lớp có chiều rộng cm; lớp lớp nhiễm có điện dẫn tương ứng μS/m 100 μS/m, chiều dày tương ứng 0.1 mm 0.7 mm Điện áp đặt chiều xảy phóng điện tồn phần nối liền điện cực 30 kV 𝐿𝑖 = 𝜇0 /2𝜋 [0.25 + ln( 𝐷𝑓 )] 𝑟𝑖 (13) 3.6 Vận tốc tia lửa điện Bắt đầu Vận tốc trình lan truyền phụ thuộc vào cường độ điện trường điểm đầu tia lửa điện, hay nói cách khác phụ thuộc vào độ lớn điện áp đặt Để tính tốn vận tốc tức thời (𝑣𝑖 ) tia lửa điện, mơ hình sử dụng phương pháp cân lượng A Beroual [3] 𝑣𝑖 (𝑡) = ( 2𝛽 𝑃 (𝑡)) 𝜌𝜋𝑟 𝑖 1⁄ Khởi tạo X0, R0, L0, t=0 Tăng điện áp Tính Rbi, Ri, Ci, Ii Ebi>Ei Sai Đúng Lan truyền (14) Sai Xi