Bài báo trình bày ứng dụng mô hình mạch điện tương đương RLC trong mô phỏng động hiện tượng phóng điện. Mô hình mô phỏng áp dụng cho trường hợp điện áp đặt là xoay chiều. Các thông số của hồ quang điện như điện áp, dòng điện, vận tốc được xác định tức thời. Quá trình lan truyền hồ quang điện được mô phỏng bởi các đoạn mạch RLC phát triển nối tiếp nhau, các giá trị RLC và tham số bề mặt được xác định theo các tiêu chuẩn khác nhau. Mô hình cho phép đánh giá ảnh hưởng các tham số đầu vào như điện áp, điện trở suất bề mặt đến quá trình lan truyền của hồ quang điện và dự đoán điện áp gây ra phóng điện toàn phần.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN TRÊN BỀ MẶT CÁCH ĐIỆN DƯỚI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU SIMULATION OF DISCHARGE PROPAGATION ON INSULATOR SURFACES UNDER AC VOLTAGE Đặng Việt Hùng*, Nguyễn Duy Minh TĨM TẮT Bài báo trình bày ứng dụng mơ hình mạch điện tương đương RLC mô động tượng phóng điện Mơ hình mơ áp dụng cho trường hợp điện áp đặt xoay chiều Các thông số hồ quang điện điện áp, dòng điện, vận tốc xác định tức thời Quá trình lan truyền hồ quang điện mô đoạn mạch RLC phát triển nối tiếp nhau, giá trị RLC tham số bề mặt xác định theo tiêu chuẩn khác Mơ hình cho phép đánh giá ảnh hưởng tham số đầu vào điện áp, điện trở suất bề mặt đến trình lan truyền hồ quang điện dự đoán điện áp gây phóng điện tồn phần Từ khóa: Phóng điện bề mặt, mạch điện tương đương, hồ quang điện ABSTRACT This paper deals with the application of RLC equivalent circuit model in dynamic simulation of discharge phenomena Applied voltage in the simulation model is AC voltage Parameters of electric arc such as voltage, current, velocity are instantaneous The propagation of electric arc is simulated by the successive development of RLC circuits; values of RLC and parameters of propagation surface are determined according to different criteria The described model allows estimating influence of input parameters such as voltage, surface resistivity on arc propagation and predicting the voltage causing flashover Keywords: Surface discharge, electrical equivalent circuit, arc Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực * Email: hungdv79@epu.edu.vn Ngày nhận bài: 05/01/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 15/3/2020 Ngày chấp nhận đăng: 24/6/2020 GIỚI THIỆU Trong trình vận hành, cách điện thiết bị điện chịu điện áp bề mặt, số trường hợp gây tượng phóng điện cục phần bề mặt phát triển thành phóng điện toàn phần nối liền hai điện cực gây ngắn mạch Đặc biệt với cách điện làm việc trời chịu ảnh hưởng môi trường nhiễm bẩn sương muối, phóng điện bề mặt xảy với điện áp vận hành điều kiện bình thường Hiện tượng phóng điện gây tổn thất, hư hỏng bề mặt cách điện ảnh hưởng đến độ tin cậy vận hành thiết bị điện, gây ngắn mạch làm gián đoạn q trình cung cấp điện 18 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (6/2020) Việc nghiên cứu, mô đánh giá trình phóng điện bề mặt có ý nghĩa giúp hiểu rõ chất tượng, từ tìm giải pháp góp phần nâng cao độ tin cậy Các mơ hình nghiên cứu q trình phóng điện thường tập trung vào mơ hình tĩnh, dự báo điện áp gây phóng điện tồn phần điện áp chiều điện áp xung [1,2] Hiện tượng phóng điện trường hợp điện áp xoay chiều thường diễn phức tạp hồ quang điện xoay chiều có đặc trưng bị dập tắt dòng điện qua 0, tiêu chí để hồ quang phát sinh lại cần tính đến Bài báo tập trung xây dựng mơ hình động mơ q trình lan truyền phóng điện điện áp xoay chiều, phương pháp mạch điện tương đương RLC sử dụng toán mơ hình hóa [3], tham số bề mặt hồ quang điện thay giá trị R,L,C Mơ hình động ngồi việc cho phép dự báo điện áp phóng điện tồn phần cịn cho phép đánh giá tham số khác q trình phóng điện theo thời gian, xem xét ảnh hưởng yếu tố bề mặt, mơi trường q trình phát triển hồ quang điện PHƯƠNG PHÁP MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG RLC Q trình lan truyền mơ hình hóa phương pháp mạch điện tương đương Trong đó, giả thiết điều kiện lan truyền thỏa mãn hồ quang điện phát triển bước, bước i thay đoạn mạch RiLiCi Do vậy, trình lan truyền tương ứng với việc đoạn mạch RLC mắc nối tiếp Mơ hình mơ thể hình 1; Vđ điện áp đặt, RiLiCi tương ứng điện trở, điện cảm điện dung đoạn mạch thứ i, Rb điện trở lớp bề mặt tính từ đầu hồ quang điện đến điện cực đối điện R0 Vd(t) L0 Ri(x,t) C0 Li(x,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 R0 L0C0, Ir dòng điện rị, ta có dịng điện điện áp bước thứ i xác định theo phương trình sau: Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 V dI(t) dt (t) (t) − V (t) = R I(t) + L I(t) = I (t) − C dV dt (1) (2) dI(t) (3) dt dI(t) (4) V (t) − V (t) = R I(t) + L dt dV (t) (5) I(t) = I(t) + C dt dV (t) (6) I(t) = I(t) + C dt V (t) I(t) = (7) R Từ phương trình (3)-(7) viết lại dạng sau: Y(t) = AX(t) + BU(t) (8) Trong đó: V (t) V (t) dX(t) X(t) = Y(t) = I(t) d(t) I(t) Vđ (t) − V (t) = R I(t) + L Vđ (t) U(t) = 0 Với A, B tham số ma trận trạng thái (8), 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 hồ quang điện L − x(t) (9) ln πδ r Trong đó, δ điện dẫn suất, r bán kính đầu hồ quang điện L, x(t) tương ứng chiều dài bề mặt phóng điện chiều dài hồ quang điện thời điểm t R = 3.2.2 Điện dung lớp bề mặt Điện dung lớp bề mặt xác định theo mơ hình sau: S (10) C =ε L−X Trong đó, 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 3.2.3 Điện trở hồ quang điện Trong trình phát triển phía điện cực đối diện, điện trở hồ quang điện có tính chất phi tuyến, báo sử dụng mơ hình động đề xuất Mayr [5], giả thiết hồ quang điện có dạng hình trụ trịn với bán kính khơng đổi d 1 V (t)I (t) (11) ln = −1 dt R τ P Với Varc, Iarc, tương ứng điện áp, dòng điện hồ quang điện, số thời gian hồ quang điện τ = 100μs; theo giả thiết Mayr, giá trị nhiệt dẫn nhiệt độ bên hồ quang số, cơng suất hồ quang điện xác định sau: P0 = Earc.Iarc 3.2.4 Điện dung hồ quang điện Trong mơ hình mơ phỏng, điện dung đầu hồ quang điện (Ci) điện dung tính từ đầu hồ quang điện đến điện cực đối diện theo mơ hình xấp xỉ sau [6]: C = 4πε r sh(α) Trong đó: cosh(α) = MƠ HÌNH VÀ THAM SỐ MƠ PHỎNG 3.1 Mơ hình mơ Trong thực tế vận hành, lớp ô nhiễm bề mặt cách điện thường phân bố không đều, báo giả thiết lớp ô nhiễm gồm lớp phân bố khơng bề mặt Do vậy, mơ hình nghiên cứu mơ q trình lan truyền tia lửa điện bề mặt gồm lớp cách với giả thiết gồm lớp ô nhiễm - lớp - lớp nhiễm (hình 2) Hình Mơ hình mơ (12) với r bán kính hồ quang điện xác định theo mơ hình Wilkins [7] r= I 1,45π 3.2.5 Điện cảm hồ quang điện Điện cảm hồ quang 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 hồ quang điện điện cảm từ trường xạ dòng điện hồ quang điện = /2 0.25 + ln( ) (13) 3.2.6 Vận tốc hồ quang điện 3.2 Tham số mô 3.2.1 Điện trở lớp bề mặt Điện trở lớp bề mặt xác định theo mơ hình đề xuất Renyu-Zhicheng [4] có dạng sau: Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn [sh(nα)] Vận tốc q trình phóng điện phụ thuộc vào cường độ điện trường điểm đầu hồ quang điện đến điện cực đối diện Để tính tốn vận tốc tức thời (v ), báo sử dụng mô hình cân lượng Beroual [3], đó: Vol 56 - No (June 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 19 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 2β (14) v (t) = P (t) ρπr Với ρ mật độ khơng khí β (0 < β < 1) tỉ lệ phần lượng cần thiết cho trình phát triển hồ quang điện Thuật tốn tính tốn q trình phóng điện giới thiệu hình 3, giả thiết ban đầu hồ quang điện có chiều dài 0,1L, tham số xác định điện áp đặt xoay chiều tăng dần, q trình tính tốn dừng lại tượng phóng điện tồn phần xảy Kết mơ cho thấy điện áp gây phóng điện tồn phần xảy điện áp đặt đạt giá trị 240kV chu kì điện áp nguồn xoay chiều (hình 4) Trong trình phát triển, điện áp hồ quang điện thay đổi chuyển qua lớp có điện dẫn suất khác nhau, điện áp giảm lan truyền qua lớp có điện dẫn suất nhỏ (lớp sạch) Bắt đầu Khởi tạo X0, R0, L0, C0 Tăng điện áp Tính Rbi, Ri, Ci, Ii Rbi>Ri Hình Vận tốc trình lan truyền Sai Đúng Sai Xi