Từ những dự báo này, các nhà nghiên cứu sản xuất khớp nối cáp có thể thay thế các vật liệu thích hợp để giảm sự chênh lệch nhiệt độ xảy ra trong khối thiết bị là nguy[r]
(1)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:
(2)Keywords:
HVDC cable, cable joints, field distribution, temperature distribution
1 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 trị 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 vô 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]
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
2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cấu trúc hình học
(a)
(b)
Hình Thiết kếchung sử dụng mơ phỏng: (a) mơ hình mơ phỏng, (b) cấu trúc
chung khớp nối cáp
Vật liệu thiết bị đấu nối EPDM
Cách điện cáp XLPE
Vật liệu bán dẫn
z r
(3)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]:
BT E E
T k E A E T B
a .sinh ( ). .
exp ) , ( (1) Trong đó:
A et α: số;
Ea: lượng hoạt động điện dẫn; T: nhiệt độ;
E: điện trường đặt;
B = a.T + b: thơng số phụ thuộc vào nhiệt độ để tính đến thay đổi ngưỡng điện trường vào nhiệt độ
Dựa vào kết thực nghiệm đo dòng điện điều kiện khác
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
được đo S/m)
XLPE EPDM
A (S.I) 1,55 10-3 0,19
Ea (eV) 0,44
B (m/V)
1,38.10-7 với T 313 K
4,8.10-10 T
5,1.10-7 -1,3.10-9 T + 5,45.10-7
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 dịng điện (Electric Currents)
Q trình truyền nhiệt mơ 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:
𝜌 𝐶𝑝 𝜕𝑇
(4)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 dịng chảy
Các thơng lượng nhiệt trao đổi xạ thể biểu thức 3:
𝑞 = 𝜀𝑒𝑚.𝑆(𝑇𝑒𝑥𝑡4 − 𝑇𝑎4) (4) Ở S số Stefan-Boltzmann
S = 5,67.10-8 W.m-2.K-4), em hệ số
phát xạ bề mặt (em = cho bề mặt
đen, em<< cho bề mặt sáng) Trong
trường hợp cáp điện, giả thiết trình phát xạ bề mặt lớp bán dẫn (semi-conductor) cáp 0,8 Nguồn nhiệt lượng Q phương trình (2) thể lượng cho đơn vị thể tích Trong trường hợp loại
cáp điện, Q tương ứng mật độ tiêu hao
năng lượng hiệu ứng Joule dòng điện lõi cáp tạo Do mật độ tiêu hao lượng hiệu ứng Joule lõi cáp thể cơng thức 5:
𝑄𝑎𝑚𝑒= 𝑅𝑇0(1 + 𝛼(𝑇𝑎𝑚𝑒− 𝑇0)) 𝐼𝑎𝑚𝑒2 /𝑆𝑎𝑚𝑒 (5)
Trong đó: RT0 điện trở đơn vị
chiều dài dây dẫn nhiệt độ T0
(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 Maxwell-
Gauss:
.(.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)
Hơn nữa, theo định luật Ohm, mối liên hệ điện trường, điện dẫn () mật độ dịng điện thể theo cơng thức:
J = E (8)
Sự không đồng điện dẫn phụ thuộc vào điện trường phần liên kết phương trình khác làm cho khó giải hệ phương trình theo phương pháp tốn học đơn Đó lý mà sử dụng phương pháp số để giải vấn đề (sử dụng phần mềm chun dụng để giải quyết) Mơđun dịng điện sử dụng mơ với mục đích để giải hệ phương trình gồm phương trình khác (6), (7), (8)
2.4 Điều kiện mô
(5)dẫn vào điện trường nhiệt độ theo phương trình
Giá trị đặt ban đầu:
Về điện áp: điện áp đặt vào cáp
Vđặt= 200 kV
Về dòng điện: dòng điện làm việc lõi cáp Ilv = 1000 A
Nhiệt độ môi trường 20oC
Nhiệt độ thời điểm ban đầu là:
T0 = 20oC
Sự phân bố nhiệt độ điện trường thiết bị đấu nối mô theo thời gian, từ t=0 s đến t=20000 s chế độ xác lập
3 KẾT QUẢ
3.1 Phân bố nhiệt độ
Dưới tác động dòng điện làm việc lõi cáp, theo hiệu ứng Joule có lượng nhiệt phân bố cáp lan truyền sang phần vật liệu thiết bị đấu nối hình thành chênh lệch nhiệt độ khối thiết bị Sự phân bố nhiệt độ theo thời gian đặt điện áp dòng điện theo thang màu thể hình
Ta nhận thấy rằng, nhiệt độ khối thiết bị làm nóng lên theo thời gian từ lõi cáp truyền qua cách điện cáp sang vật liệu thiết bị đấu nối vỏ Tuy nhiên, quan sát thang màu phân bố nhiệt độ, truyền nhiệt phía cách điện cáp điện nhanh so với truyền nhiệt phần vật liệu khớp nối
Hình đưa cách thể khác tiến triển nhiệt độ dọc theo chiều
dài bán kính khối thiết bị kết nối với thời gian khác thời điểm hệ thống đạt trạng thái ổn định
(a)
(b)
Hình Sự phân bố nhiệt độ khối thiết bị đấu nối cáp cao áp thời gian t = 100s (a),
t=10000s (b) thể theo thang màu
(6)Hình Đường đặc tính phân bố nhiệt độở
phần tiếp giáp XLPE/EPDM khớp nối cáp cao áp (z=76cm) thời gian khác
và chếđộ xác lập
Ở thời điểm ban đầu, t=10 s đến t=1000 s, nhiệt độ tăng lượng nhỏ từ 20 đến 35oC phía cách điện cáp, nhiệt độ phía ngồi khớp nối gần không thay đổi, xấp xỉ với nhiệt độ
môi trường (20o
C) Sau khoảng thời gian
t = 20.000 s, nhiệt độ tăng lên tới 65oC phía cách điện cáp nhiệt độ phía ngồi phần vật liệu thiết bị đấu
nối thay đổi gần 10oC Tuy nhiên sau
thời gian 20.000 s (hơn giờ), hệ thống chưa đạt chế độ ổn định phân bố nhiệt độ Nhiệt độ phía cách điện cáp khớp nối đạt trạng thái ổn định tương ứng 70 30oC, sinh độ chênh lệch nhiệt độ khối thiết bị đấu nối vào khoảng 40oC Như vậy, ta cần khoảng thời gian dài để đạt ổn định nhiệt độ khối thiết bị
Do vật liệu thiết bị đấu nối cáp có truyền nhiệt nên trình truyền nhiệt từ lõi cáp tác dụng hiệu
ứng Joule khơng nhanh chóng tản ngồi, tạo nên giá trị nhiệt độ cao phía lõi cáp, điều nguyên nhân ảnh hưởng đến tác động nhiệt vào cách điện cáp làm giảm tuổi thọ hiệu suất làm việc Do vậy, trình nghiên cứu vật liệu thiết bị đấu nối cáp cao áp đẩy mạnh giới để có loại vật liệu thay phù hợp tích hợp thêm khả khuếch tán nhiệt độ
3.2 Phân bố điện trường
Tính tốn phân bố điện trường chế độ ổn định thực với điều kiện nhiệt độ nhiệt độ phòng (20oC) chênh lệch nhiệt độ 40oC (trong lõi cáp 70oC phía bên ngồi khớp nối 30oC - đường đặc tính nhiệt độ chế độ xác lập hình 3) để thấy rõ ảnh hưởng nhiệt độ phân bố điện trường khớp nối Kết phân bố điện trường thể hình
(7)Hiệu ứng quan sát rõ hình 5, thể phân bố điện trường vị trí có tiếp giáp XLPE/EPDM
(a) (b)
Hình Sự phân bốđiện trường bên khối thiết bịđấu nối cáp ở200kV, nhiệt độ 20oC (a), T = 400C (b) Thang màu sử dụng rainbow; từđỏđến xanh da trời tương ứng từ
cao đến thấp
Hình Đường đặc tính phân bốđiện trường bên khớp nối cáp vị trí tiếp giáp giữa XLPE/EPDM (z=76 cm, hình 4a) nhiệt độ
phịng chênh lệch nhiệt độ
Hình Đường đặc tính phân bốđiện trường bên khớp nối cáp vị trí tiếp giáp XLPE/semiconductor/EPDM (z=60cm) nhiệt độ
phòng chênh lệch nhiệt độ
Ở nhiệt độ phòng, điện trường phân bố chủ yếu vật liệu XLPE giảm dần từ 9,5 kV/mm xuống 7,2 kV/mm phía lõi cáp đến vị trí tiếp giáp vật liệu Mặc dù vậy, giá trị điện trường đạt lớp vật liệu EPDM nhỏ, xấp xỉ phía ngồi khớp nối Khi có chênh lệch nhiệt độ, điện trường lớp cách điện cáp XLPE có xu hướng tăng dần đến vi trị tiếp giáp vật liệu, đồng thời điện trường phía ngồi khớp nối đạt giá trị xấp xỉ kV/mm Ngoài ra, ta cịn quan sát thấy thang màu (hình 3) phân bố điện trường cịn có thay đổi vị trí có tiếp giáp lớp bán dẫn EPDM trường hợp nhiệt độ phịng có chênh lệch nhiệt độ Ở nhiệt độ phịng, vị trí đạt điện trường cao nằm phía tiếp giáp với vật liệu bán dẫn, dó có chênh lệch nhiệt độ, phía ngồi khớp
z = 76cm
(8)nối lại có giá trị điện trường cao (hình 6)
4 KẾT LUẬN
Từ thông số thực nghiệm phụ thuộc điện dẫn vào điện trường nhiệt độ, tính chất điện dẫn loại vật liệu XLPE EPDM ứng dụng để mô cho phân bố điện trường biến đổi nhiệt độ khối thiết bị đấu nối cáp cao áp Sử dụng môđun Dòng điện Trao đổi nhiệt COMSOL Multiphisics, ta có
cái nhìn trực quan biến đổi nhiệt độ điện trường khớp nối cáp: truyền nhiệt diễn nhanh vật liệu XLPE so với vật liệu EPDM phân bố điện trường phụ thuộc nhiều vào chênh lệch nhiệt độ vật liệu Từ dự báo này, nhà nghiên cứu sản xuất khớp nối cáp thay vật liệu thích hợp để giảm chênh lệch nhiệt độ xảy khối thiết bị nguyên nhân gây thay đổi điện trường, tác động đến tuổi thọ làm việc hệ thống cáp cao áp
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Murata et al., “Development of High Voltage DC-XLPE Cable System,” SEI Tech Rev., no 76, pp 55–62, Apr 2013
[2] W Long and S Nilsson, “HVDC transmission: Yesterday and Today,” IEEE Power Energy Mag., vol 5, no 2, pp 22–31, Mar 2007
[3] C.K Eoll, “Theory of Stress Distribution in Insulation of High-Voltage DC Cables: Part I,” IEEE
Trans Electr Insul., vol EI-10, no 1, pp 27–35, 1975
[4] W Choo, G Chen and S G Swingler, “DC-field solid dielectric cable under transient thermal conditions,” IEEE Trans Dielectr Electr Insul., vol 18, no 2, pp 596–606, 2011
[5] Y Qin, N Shang, M Chi, and X Wang, “Impacts of temperature on the distribution of electric-field in HVDC cable joint,” IEEE 11th Int Conf Prop Appl Dielectr Mater ICPADM Syd NSW, pp 224–227, 2015
[6] Silec Cable, “One-piece premolded joint for extruded cables from 63 to 500kV.”
[7] R Bodega, G.C Montanari, and P.H.F Morshuis, “Conduction Current measurements on XLPE and EPR insulation,” Rep Conf Electr Insul Dielectr Phenom., pp 101–105, 2004
[8] J Fothergill, S.J Dodd, L.A Dissado, T Liu, and U.H Nilsson, “The Measurement of Very Low Conductivity and Dielectric Loss in XLPE Cables: A Possible Method to Detect Degradation Due to Thermal Aging,” IEEE Trans Dielectr Electr Insul., vol Vol 18, no No 5;, p 1544, Oct 2011 [9] T.T.N Vu, G Teyssedre, B Vissouvanadin, S Le Ro, and C Laurent, “Correlating Conductivity
(9)Giới thiệu tác giả:
Tác giả Vũ Thị Thu Nga tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện năm 2004 nhận Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện năm 2007 tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nộ, nhận Tiến sĩ ngành ỹ thuật điện tại Đại học Toulouse - Pháp năm 2014 Hiện tác giả giảng viên Trường Đại học Điện lực
Lĩnh vực nghiên cứu: tích điện khơng gian, HVDC, vật liệu cách điện, kỹ thuật điện cao áp, rơle tự động hóa trạm
Tác giả Trần Thanh Sơn tốt nghiệp đại học tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nộii ngành hệ thống điện năm 2004, nhận Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện tại Trường Đại học Bách khoa Grenoble - Cộng hoà Pháp năm 2005, nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện Trường Đại học Joseph Fourier - Cộng hoà Pháp năm 2008 Hiện tác giả Trưởng khoa Kỹ thuật điện - Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: ứng dụng phương pháp số tính tốn, mơ trường điện từ; tốn tối ưu hoá thống điện
(10)