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

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 đường dây tải điện không dây dẫn đường dây phải cách điện với (giữa pha ) cách điện đất (cách điện pha với đất) Để thực cách điện dây dẫn đặt treo cột cách điện sứ, thủy tinh cách điện composite, silicon, polymer… khoảng vượt dựa vào cách điện khơng khí Do đặc thù vị trí địa lý nước ta nên đường dây tải điện phải qua vùng có khí hậu bị nhiễm như: sương muối, sương mù, sương giá, khu công nghiệp khai thác đá, than, vùng đất đỏ bazan Trong trình vận hành hệ thống điện cách điện đường dây cao áp siêu cao áp chọn theo điện áp thao tác số trường hợp đường dây vùng nhiều sét, có điện trở nối đất lớn, cịn chọn theo điện áp sét.Tuy nhiên vận hành cho thấy xảy phóng điện bề mặt chuỗi cách điện điện áp làm việc bình thường lưới khơng có thao tác đóng cắt mạch điện khơng có giơng sét vùng có đường dây qua Các cố thường xuất bề mặt cách điện bị nhiễm thời tiết có mưa phùn, sương mù, sương giá, bụi bẩn, ô nhiễm ngưng tụ hạt bề mặt cách điện Ô nhiễm có nguồn gốc tự nhiên nhân tạo: Ơ nhiễm tự nhiên ngưng tụ muối biển (khi đường dây qua vùng duyên hải), cỏ, lông phân chim bề mặt cách điện Ô nhiễm nhân tạo ngưng tụ bụi hoạt động công nghiệp nông nghiệp bề mặt cách điện Khi mức cách điện khô mức cách điện khơng bị giảm sút Ngược lại trời mưa, ẩm mức cách điện giảm tới mức đủ để gây phóng điện điện áp làm việc bình thường, phóng điện lặp lại kéo dài, sau lần phóng điện bề mặt cách điện sấy khơ sau lại bị ướt để dẫn đến phóng điện tiếp theo, vận hành ghi nhận trường hợp thất bại tự đóng lại bề mặt cách điện bị ô nhiễm thời tiết có mưa phùn, sương muối bụi bẩn, gây gián đoạn việc cung cấp điện ảnh hưởng không nhỏ đến kinh tế an ninh… Hình1 : Phóng điện phá huỷ cách điện đường dây tải điện Để khắc phục phịng ngừa cố phóng điện qua chuỗi cách điện ảnh hưởng môi trường giúp đường dây vận hành an toàn liên tục người ta nghiên cứu ứng dụng phần mềm PLUX mô phân bố cường độ điện trường bề mặt cách điện đường dây tải điện không để kịp thời phát phòng ngừa cố đường dây Hiện nay, việc nghiên cứu ảnh hưởng mơi trường đến cách điện đường dây thực nghiên cứu thực nghiệm xây dựng mơ hình nghiên cứu lý thuyết Một mơ hình động nghiên ảnh hưởng mơi trường đến tượng phóng điện bề mặt cách điện xây dựng, mơ hình cho phép tính tốn tham số dòng điện, điện áp, vận tốc… tia lửa điện tác dụng điện áp thao tác dạng sóng chuẩn 250/2500µs Việc chọn dạng sóng q điện áp để tính tốn q trình vận hành hệ thống điện cách điện đường dây cao áp, siêu cao áp thường chọn theo điều kiện q điện áp thao tác Mơ hình nghiên cứu ảnh hưởng môi trường đến cách điện đường dây không Trong thực tế, ảnh hưởng môi trường tự nhiên (mưa, sương mù, bụi, khói ) kết cấu hình dáng cách điện treo hình thành nên vùng có điện dẫn cao điện dẫn thấp xen kẽ nhau, phân bố vùng ảnh hưởng đến cường độ điện trường bề mặt điện áp xảy phóng điện chọc thủng dọc theo chuỗi cách điện Hình 2: Sự hình thành phân bố lớp bụi phóng điện cách điện đường dây không ảnh hưởng môi trường Để đánh giá ảnh hưởng tham số lớp bụi điện dẫn, phân bố so với điện cực, chiều dày đến tượng phóng điện bề mặt cách điện, mơ hình nghiên cứu xây dựng hình Mơ hình có dạng hình đĩa trịn phẳng, bán kính 9mm gồm lớp xen kẽ lớp bụi có tính chất Hình 3: Mơ hình nghiên cứu Giả thiết xuất phóng điện bề mặt, tia lửa điện xuất theo hướng có thơng số chiều dài, vận tốc… thời điểm nhau, tia lửa lan truyền bề mặt góc 2π/Narc (trong Narc số tia lửa điện xuất bề mặt) Quá trình phát triển lan truyền tia lửa điện mô hình hóa phương pháp mạch điện tương đương RLC, bước phát triển tương ứng với trường hợp đoạn RLC mắc nối tiếp Hình 4: Mạch điện tương đương mơ q trình lan truyền Trong Ri(x,t), Li(x,t) Ci(x,t), tương ứng điện trở, điện cảm, điện dung bước thứ i R 0,L0, C0 giá trị ban đầu cho trước tia lửa điện, R bi (x,t) điện trở lớp bụi thứ i I r(t) dòng điện rò Theo phương pháp mạch điện tương đương ta có phương trình biểu diễn dòng điện điện áp sau : ( 1) ( 2) Phương trình cho phép tính tốn tham số khác dòng điện, điện áp, vận tốc, bán kính tức thời tia lửa điện thời điểm Dịng điện, điện tích điện áp tính theo cơng thức sau: ( 3) (4) (5) 2.1 Tham số thay lớp bụi 2.1.1 Điện trở Rb Điện trở lớp bụi tính tốn theo mơ hình tuyến tính, điện trở lớp bụi coi hàm tuyến tính theo chiều dài bề mặt cách điện : ( 6) Trong L chiều dài tổng bề mặt cách điện 2.1.2 Điện dung Cb Trong mơ hình tính tốn, điện dung lớp bề mặt C b tính theo phương trình: (7) Trong εb, Sb tương ứng số điện mơi diện tích lớp bụi bề mặt cách điện Đối với trường hợp bề mặt phẳng: Sb=eb.l với eb, l độ dày chiều rộng lớp bụi 2.2 Tham số thay tia lửa điện 2.2.1 Điện dung Điện dung Carc giá trị tính từ đầu tia lửa điện đến điện cực đối diện theo công thức sau: (8) Với số điện mơi vùng ion hóa bên tia lửa điện lấy ε0 2.2.2 Điện trở Điện trở tia lửa điện tính tốn theo phương trình Mayr, giả thiết tia lửa điện có dạng hình trụ trịn với bán kính khơng đổi (9) Với τ số thời gian Po công suất tia lửa điện, tính theo biểu thức : (10) (11) 2.2.3 Bán kính Do ảnh hưởng lớp điện tích khơng gian xung quanh tia lửa điện, việc xác định bán kính thực tế phương pháp thực nghiệm thường khó cho kết xác Trong mơ hình tính tốn, bán kính tia lửa điện tính theo cơng thức Wilkins : (12) 2.2.4 Vận tốc Vận tốc tức thời tính tốn dựa theo phương pháp cân lượng đề xuất Beroual : dWc=βdWt (0 < β < 1) (13) Với bước phát triển dlj tia lửa điện ta có : (14) Ta lại có: dWj(t)=dWt(t) cho bước thứ j, dlj=vjdt T=T0, rj=r0 từ nhận được: (15) Vận tốc tức thời tia lửa điện tính theo cơng thức : (16) Hay (17) Từ tham số thay trên, tiến hành xây dựng thuật toán cho phép tính tốn tham số q trình lan truyền tia lửa điện bề mặt tác dụng điện áp thao tác, áp dụng tiêu chuẩn lan truyền tia lửa điện bề mặt Hampton Kết tính tốn cho phép đánh giá ảnh hưởng điện trở phân bố lớp bụi đến dịng điện, điện áp, vận tốc bán kính… thời điểm xảy phóng điện bề mặt cách điện START Khởi tạo Larc, Umax, ρi , R1, L1, C1 Tăng Tãngđiện điệnáp áp Tính Rpi, Ri, Li, Ci, Ii Rpi > Ri No Không lan truyền Yes Lan truyền No Xi < 0,9L Phóng điện chọc thủng Tính i(t), v(t), U(t), Q(t), Rarc(t) Yes Tính dRi, Ri, vi, dLarc, Larc Hình 5: Thuật tốn tính tốn q trình phát triển tia lửa điện Trong L khoảng cách điện cực: R1,L1, C1 điện trở, điện cảm, điện dung ban đầu tia lửa: Ri, Li, Ci, Ii tương ứng điện trở, điện cảm, điện dung, dòng điện mạch điện thứ i: Rbi điện trở lớp bụi thứ i Kết tính tốn Trong phần tiếp theo, ảnh hưởng phân bố lớp bụi đến trình lan truyền tia lửa điện xem xét tính tốn hai trường hợp: lớp bụi có điện trở lớn gần điện cực dương ngược lại Trong hai trường hợp, điện áp đặt có dạng điện áp thao tác 250/2500µs, phóng điện hồ quang xảy chiều dài tia lửa điện đạt giá trị 0.9L Giá trị cực đại điện áp đặt tăng dần xảy phóng điện hồ quang, trường hợp +40kV 3.1 Trường hợp lớp bụi có điện trở nhỏ gần điện cực dương lớp bụi điện trở lớn gần điện cực âm Giả thiết lớp bụi gần điện điện cực dương có điện dẫn suất 100µs, lớp cịn lại coi lớp bụi khơ có điện dẫn suất 1µs, khoảng cách điện cực 9mm Kết mơ thể từ hình vẽ đến hình vẽ 10 Qua kết ta nhận thấy điện áp phóng điện hồ quang (chọc thủng) 36kV xảy sau 108µs sườn lên điện áp, tia lửa điện gần không phát triển khoảng thời gian 18µs đầu tiên, nhiên sau tăng nhanh đạt giá trị 600m/s tăng dần đạt mức 1000m/s giai đoạn cuối Trong trình lan truyền dịng điện, bán kính điện áp tia lửa điện tăng dần thay đổi qua lớp bụi có điện trở khác 4 x 10 3.5 (V) 2.5 Dien ap dat Sut ap Dien ap dau tia lua dien 1.5 0.5 0 20 40 60 (µs) Hình 6: Điện áp 80 100 120 0.6 0.5 (A) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 20 40 60 (µs) 80 100 120 80 100 120 Hình 7: Dịng điện 1000 800 (m/s) 600 400 200 0 20 40 60 (µs) Hình 8: Vận tốc -3 3.5 x 10 (mm) 2.5 1.5 0.5 0 20 40 60 (µs) 80 100 80 100 120 Hình 9: Bán kính 1.4 x 10 -8 1.2 (C) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 20 40 60 (µs) 120 Hình 10: Điện tích 3.2 Trường hợp lớp bụi có điện trở lớn gần điện cực dương lớp bụi điện trở nhỏ gần điện cực âm Trong trường hợp ngược lại, trình phóng điện hồ quang xảy điện áp 37,5kV khoảng thời gian 125µs (Hình vẽ 11-15) Trong q trình phát triển vận tốc, dịng điện, bán kính, điện tích tia lửa điện lan truyền tương tự trường hợp lớp bụi điện trở nhỏ gần điện cực dương Qua ta thấy rằng, với điện áp hình dáng điện cực, thời gian xảy phóng điện hồ quang (chọc thủng) xảy nhanh lớp bụi có điện trở nhỏ gần điện cực dương Thời gian xảy phóng điện chọc thủng tỉ lệ thuận với điện áp đặt điện dẫn lớp bụi bề mặt cách điện 4 x 10 3.5 (V) 2.5 Dien ap dat Sut ap Dien ap dau tia lua 1.5 0.5 0 20 40 60 (µs) 80 100 Hình 11: Điện áp tia lửa điện 120 140 1000 800 (m/s) 600 400 200 0 20 40 60 80 (µs) 100 120 140 Hình 12: Vận tốc 0.8 0.7 0.6 (A) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 20 40 60 (µs) 80 Hình 13: Dịng điện 100 120 140 4.5 x 10 -3 3.5 (mm) 2.5 1.5 0.5 0 20 40 60 (µs) 80 100 120 140 Hình14: Bán kính 1.8 x 10 -8 1.6 1.4 (C) 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 20 40 60 (µs) 80 Hình 15: Điện tích 100 120 140 Ứng dụng phần mềm Flux mô phân bố cường độ điện trường bề mặt cách điện Trong thực tế, giá trị phân bố cường độ điện trường bề mặt vật liệu cách điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố điện dẫn suất, phân bố lớp bụi, cịn có số điện mơi vật liệu cách điện Để làm rõ vấn đề trên, ảnh hưởng tính chất lớp bụi vật liệu cách điện mô phần mềm Flux dựa phương pháp phần tử hữu hạn Mơ hình nghiên cứu trường không đồng dạng cực – mũi nhọn, điện cực mũi nhọn mang cực tính dương +50kV, lớp bụi phân bố không đồng bề mặt có điện dẫn suất σ=50µS, số điện mơi cách điện lấy ε=5,5; tính chất đối xứng, mơ hình xây dựng dạng 2D Hình16: Mơ hình dạng mũi nhọn – cực Isovalues Results Quantity : Potential Volt Line / Value / 500 / 5.4E3 / 10.3E3 / 15.1991E3 / 20.1E3 / 0.025E6 / 29.8991E3 / 34.7991E3 / 39.7E3 10 / 44.6E3 11 / 49.5E3 Hình 17: Phân bố điện điện cực Color Shade Results Quantity : Potential Volt Scale / Color / 3.125E3 3.125E3 / 6.25E3 6.25E3 / 9.375E3 9.375E3 / 12.5E3 12.5E3 / 15.625E3 15.625E3 / 18.75E3 18.75E3 / 21.875E3 21.875E3 / 0.025E6 0.025E6 / 28.125E3 28.125E3 / 31.25E3 31.25E3 / 34.375E3 34.375E3 / 37.5E3 37.5E3 / 40.625E3 40.625E3 / 43.75E3 43.75E3 / 46.875E3 46.875E3 / 0.05E6 Bounds vectors results Quantity : Electric field V/m Max vector value : 2.066847e+006 Color Shade Results Quantity : |Electric field| V/m Scale / Color 188.71385E-6 / 132.5207E3 132.5207E3 / 265.04144E3 265.04144E3 / 397.56213E3 397.56213E3 / 530.08281E3 530.08281E3 / 662.60356E3 662.60356E3 / 795.12425E3 795.12425E3 / 927.64494E3 927.64494E3 / 1.06017E6 1.06017E6 / 1.19269E6 1.19269E6 / 1.32521E6 1.32521E6 / 1.45773E6 1.45773E6 / 1.59025E6 1.59025E6 / 1.72277E6 1.72277E6 / 1.85529E6 1.85529E6 / 1.98781E6 1.98781E6 / 2.12033E6 Hình 18: Phân bố cường độ điện trường mũi nhọn (E3) Volt (E3) V/m 300 40 CURVE Module_champ Field / Magnitude chemin_champ CURVE potential Potential / Potential chemin_champ 30 200 19.999 100 9.999 (E3) mm (E3) mm 4 a) b) Hình19: Phân bố điện (a) cường độ điện trường (b) bề mặt 99.999 (E3) CURVE champnorm -100 Field / Normal component chemin_champ CURVE champtangent Field / Tangent component chemin_champ -200 -300 (E3) Hình20: Phân bố cường độ điện trường thành phần tiếp tuyến vng góc Từ kết mơ dựa phương pháp phần tử hữu hạn ta thấy rằng, trường hợp trường không đồng nhất, cường độ điện trường tập trung chủ yếu điện cực mũi nhọn giảm nhanh bề mặt vật liệu cách điện, xuất phân bố không đồng lớp bụi bề mặt làm thay đổi phân bố cường độ điện trường bề mặt, cường độ điện trường giảm vị trí xuất lớp bụi, q trình lan truyền phóng điện bề mặt thành phần tiếp tuyến cường độ điện trường đóng vai trị quan trọng việc phát triển lan truyền tia lửa điện Kết luận Việc đánh giá ảnh hưởng môi trường đến vật liệu cách điện vấn đề quan tâm, nghiên cứu Việt Nam Nhiều đề tài nghiên cứu thực nghiệm thực hiện, triển khai cho phép đánh giá tham số lớp bụi đến phóng điện lão hóa vật liệu cách điện Bằng phương pháp mơ hình hóa mơ phỏng, ảnh hưởng môi trường đặc biệt điện trở phân bố lớp bụi xem xét, đánh giá ảnh hưởng điện áp thao tác (250/2500µs), thấy trường hợp lớp bụi có điện trở nhỏ ( lớp bụi ẩm) gần điện cực phóng có thời gian phóng điện chọc thủng ngắn trường hợp ngược lại Các tham số tia lửa điện dịng điện, vận tốc, bán kính, điện tích… thay đổi qua lớp bụi có điện dẫn khác tăng nhanh phát triển gần đến điện cực đối diện Mô phần mềm cho thấy cường độ điện trường tập trung cao điện cực phóng giảm nhanh bề mặt phía điện cực âm Do đặc thù địa lý nên đường dây tải điện Việt Nam phải qua vùng có khí hậu khác nên đường dây qua vùng khí hậu bị nhiễm cách điện thường xun phóng điện gây hư hại cách điện làm điện hệ thống ảnh hưởng không nhỏ đến kinh tế an ninh… để khắc phục tình trạng phóng điện qua chuỗi cách điện địi hỏi phải có phương pháp tính tốn lựa chọn cách điện cho đường dây cách hợp lý Mơ hình mơ tượng phóng điện cách điện ảnh hưởng môi trường, bề mặt cách điện xuất lớp bụi có điện trở khác nhau, trường hợp lớp bụi có điện trở nhỏ gần điện cực phóng cho thời gian phóng điện chọc thủng ngắn trường hợp ngược lại Mô trường điện từ cường độ điện trường tập trung cao điện cực mũi nhọn ... 80 Hình 15: Điện tích 100 120 140 Ứng dụng phần mềm Flux mô phân bố cường độ điện trường bề mặt cách điện Trong thực tế, giá trị phân bố cường độ điện trường bề mặt vật liệu cách điện phụ thuộc... phần mềm PLUX mô phân bố cường độ điện trường bề mặt cách điện đường dây tải điện khơng để kịp thời phát phịng ngừa cố đường dây Hiện nay, việc nghiên cứu ảnh hưởng môi trường đến cách điện đường. .. nhanh bề mặt vật liệu cách điện, xuất phân bố không đồng lớp bụi bề mặt làm thay đổi phân bố cường độ điện trường bề mặt, cường độ điện trường giảm vị trí xuất lớp bụi, q trình lan truyền phóng điện