Mục đích của nghiên cứu này là cung cấp phương pháp mô phỏng các hiện tượng trạng thái nhất thời và ổn định xảy ra trong các hệ thống cáp và thiết bị phụ kiện HVDC, với sự xem xét các điều kiện không cân bằng nhiệt trên cáp. Nghiên cứu dựa trên các dữ liệu thực nghiệm được mô hình hóa của vật liệu cách điện cấu thành lên cáp và thiết bị phụ kiện trên hệ thống được lấy từ trường hợp thực tế.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MÔ PHỎNG SỰ PHÂN BỐ NHIỆT VÀ ĐIỆN TRƯỜNG TRONG KHỚP NỐI CÁP HVDC SỬ DỤNG MƠ HÌNH VĨ MƠ MODELLING TEMPERATURE AND ELECTRIC FIELD DISTRIBUTION IN HVDC CABLE JOINTS USING MACROSCOPIC MODEL Vũ Thị Thu Nga, Trần Thanh Sơn, Trần Anh Tùng Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 28/8/2018, Ngày chấp nhận đăng: 20/12/2018, Phản biện: TS Hoàng Mai Quyền Tóm tắt: Hệ thống truyền tải điện chiều phát triển mạnh hiện nhằm kết nối phụ tải với nguồn lượng phân tán với mục đích đồng hóa mạng lưới HVAC khác Xu hướng cáp sử dụng hiện cho hệ thống HVDC cáp có cách điện tổng hợp dựa vật liệu polyetylen, dần thay cho cáp cách điện giấy tẩm dầu có số lợi ích vượt trội Tuy nhiên, vấn đề quan trọng với vật liệu tổng hợp cần phải ngăn chặn sự tích lũy điện tích khơng gian tác nhân gây hỏng hóc sớm hệ thống cáp Đặc biệt với phụ kiện khớp nối cáp đầu nối điểm yếu hệ thống cáp, liên quan đến sự phân bố điện trường nguy hiểm sự liên kết cách điện có tính chất khác Mục đích nghiên cứu cung cấp phương pháp mô hiện tượng trạng thái thời ổn định xảy hệ thống cáp thiết bị phụ kiện HVDC, với sự xem xét điều kiện không cân nhiệt cáp Nghiên cứu dựa liệu thực nghiệm mơ hình hóa vật liệu cách điện cấu thành lên cáp thiết bị phụ kiện hệ thống lấy từ trường hợp thực tế Nghiên cứu cho phép dự đoán, phân bố nhiệt độ biến dạng điện trường điều kiện ứng suất điện nhiệt hệ thống cáp thiết bị đấu nối Từ khóa: Cáp HVDC, khớp nối cáp, phân bố điện trường, phân bố nhiệt độ Abstract: Energy transport through High Voltage Direct Current links are currently being developed for the connection to distributed electrical energy sources for synchronization purpose among various HVAC networks Oil-impregnated paper insulated cables represent reliable solutions and tend to be replaced by synthetic insulation based on polyethylene materials One of the key issues with these synthetic materials is the need to prevent space charge accumulation, which represents an early failure mechanism for cables Specifically, accessories like cable joints and terminations represent weak points in the cable, particularly as regards the hazardous field distribution resulting from the association of insulations of different nature The aim of this research is to provide modelling approaches of transient and steady state phenomena occurring in HVDC cable systems, with consideration of non-equilibrium thermal conditions on the cables The project is based on experimental data on insulating materials constituting the modelled accessories and system design taken from a real case study It will enable to predict temperature distribution and associated field distortion as a function of stressing condition and thermal environment Số 18 55 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Keywords: HVDC cable, cable joints, field distribution, temperature distribution GIỚI THIỆU Thị trường cho kết nối cáp chiều cao áp (HVDC) cách điện polymer tăng lên đáng kể thập kỷ qua, phát triển nguồn điện phân tán truyền tải điện xa [1] Để đáp ứng công suất truyền tải cao hơn, điện áp hệ thống tăng dần từ 80 kV, lên hệ thống HVDC 320 kV 500 kV [2] Mức tăng điện áp làm tăng đáng kể hiệu suất độ tin cậy hệ thống cáp Bên cạnh cáp, chất lượng phụ kiện đầu mối khớp nối đúc sẵn HVDC đóng vai trò quan trọng Do có số lượng lớn khớp nối cáp hệ thống HVDC nên việc thiết kế phải có hiệu chi phí, chi phí sửa chữa thời gian ngừng hoạt động kéo dài lớn, tăng lên đáng kể cố xảy biển Vì lý này, chắn thiết kế phụ kiện, khớp nối ngày trở nên vơ quan trọng cần thiết để chịu áp lực điện gia tăng Điện trường phải điều khiển cho không vượt mức chịu đựng vật liệu tương ứng phần tử hệ thống Trong ứng dụng DC, phân loại điện trường tính chất điện trở phổ biến, ngồi q trình hoạt động điện trường thiết bị phân bố lại cách điều khiển dòng điện rò [3] Tuy nhiên, thực tế, phương pháp phức tạp điện trở suất vật liệu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ điện trường [4] 56 Trong nghiên cứu này, thiết kế chung cho khớp nối cáp DC mô Các tượng khớp nối, với thông số vật liệu thực tế, ứng lực khác xem xét Khớp nối mô điều kiện ứng suất nhiệt điện khác để kiểm tra độ bền Như mơ tả đây, mục đích nghiên cứu xem xét phân bố nhiệt độ điện trường vị trí có tiếp giáp vật liệu khác khối thiết bị nối cáp Điện trường vị trí bị chi phối tính chất vật liệu xung quanh nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ điện trường [5], gây vấn đề độ bền nghiêm trọng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cấu trúc hình học r Vật liệu thiết bị đấu nối EPDM Vật liệu bán dẫn Cách điện cáp XLPE Cách điện cáp XLPE z (a) (b) Hình Thiết kế chung sử dụng mơ phỏng: (a) mơ hình mơ phỏng, (b) cấu trúc chung khớp nối cáp Số 18 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tất mô thực phần mềm Comsol Multyphisics với cấu trúc hình học đối xứng 2D (hình 1a) lấy từ khối cấu trúc khớp nối cáp cao áp từ nhà sản xuất Silec Cable (hình 1b: trục r thể bán kính khối khớp nối, trục z thể chiều dài khối khớp nối) [6] Trong thiết kế này, khớp nối cáp tồn tiếp giáp vật liệu khác XLPE/EPDM cách điện cáp vật liệu khớp nối với độ dày lớp vật liệu tương ứng 22,285/44,1 mm Chiều dài toàn khớp nối cấu trúc mô 87,5 cm Lõi cáp có bán kính 22,285 mm (khơng thể mô phỏng) 2.2 Vật liệu Vật liệu sử dụng cách điện cáp khớp nối cáp tương ứng XLPE EPDM với tính chất điện dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ điện trường theo công thức bán thực nghiệm [7] [8]: Ea sinh B(T ).E .E k T B (T , E ) A exp (1) nhiệt độ điện trường đặt, giá trị công thức xác định bảng [9] Bảng Các hệ số công thức điện dẫn cho XLPE EPDM (điện dẫn đo S/m) XLPE EPDM A (S.I) 1,55 10-3 0,19 Ea (eV) 0,44 1,38.10 -7 với T 313 K B (m/V) -9 -1,3.10 T + 5,45.10 -7 4,8.10-10 T 5,1.10-7 với T 313 K 1,15 0,42 2.3 Phương pháp mô Trong nghiên cứu này, để tính tốn phân bố nhiệt độ điện trường điều kiện khác khớp nối phân đoạn cáp cao áp, nhóm nghiên cứu sử dụng hai môđun phần mềm Comsol Multyphisics là: mơđun truyền nhiệt (Heat Transfer) mơđun dòng điện (Electric Currents) B = a.T + b: thông số phụ thuộc vào nhiệt độ để tính đến thay đổi ngưỡng điện trường vào nhiệt độ Quá trình truyền nhiệt mô tả thay đổi lượng nhiệt chênh lệch nhiệt độ Quá trình trao đổi nhiệt diễn theo hướng chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Có ba chế liên quan đến việc truyền nhiệt là: dẫn nhiệt, đối lưu xạ Mơ hình tốn học sử dụng cho truyền nhiệt theo chế dẫn nhiệt Comsol® ứng dụng vật liệu rắn thể phương trình sau: Dựa vào kết thực nghiệm đo dòng điện điều kiện khác 𝜌 𝐶𝑝 Trong đó: A et α: số; Ea: lượng hoạt động điện dẫn; T: nhiệt độ; E: điện trường đặt; Số 18 𝜕𝑇 − 𝛻 (𝑘𝛻𝑇) = 𝑄 𝜕𝑡 (2) 57 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trong đó: , Cp, T, t k tương ứng mật độ, công suất nhiệt, nhiệt độ, thời gian độ dẫn nhiệt vật liệu Q nguồn nhiệt Các thông lượng nhiệt trao đổi đối lưu bề mặt chất rắn đặt chất lỏng đưa phương trình Newton (cơng thức 2): 𝑞0 = ℎ (𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑎 ) (3) Trong Text, Ta nhiệt độ tương ứng bề mặt xa phần tử làm nóng H hệ số đối lưu, hệ số không phụ thuộc vào chất bề mặt phụ thuộc vào thuộc tính chất lỏng chất dòng chảy (3,87*10-4 W.m-1 cho đồng T0 = 20°C) Iame Same tương ứng dòng điện tiết diện lõi cáp Trong trình làm việc cáp điện, tác động yếu tố điện áp mơi trường, tích điện hình thành điện tích () phụ phuộc vào điện trường E theo phương trình MaxwellGauss: .(.E) = (6) Khi điện tích xuất thay đổi theo thời gian làm biến đổi mật độ dòng điện J, mối liên quan thể qua phương trình vi phân: ∂ρ/∂t+∇.J=0 (7) Các thông lượng nhiệt trao đổi xạ Hơn nữa, theo định luật Ohm, mối liên hệ thể biểu thức 3: (4) điện trường, điện dẫn () mật độ 𝑞 = 𝜀𝑒𝑚 𝑆 (𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑎4 ) dòng điện thể theo cơng thức: Ở S số Stefan-Boltzmann J = E (8) S = 5,67.10-8 W.m-2.K-4), em hệ số phát xạ bề mặt (em = cho bề mặt Sự không đồng điện dẫn phụ đen, em