Kết quả mô phỏng bằng phần mềm ansys
- 90 trang
- file: .doc
đang tải dữ liệu....
Tài liệu bị giới hạn, để xem hết nội dung vui lòng tải về máy tính.
Tải xuống - 90 trangNội dung text: Kết quả mô phỏng bằng phần mềm ansys
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG I..........................................................................................................3
ẢNH HƯỞNG CỦA Ô NHIỄM TỚI CÁC ĐẶC TÍNH CÁCH ĐIỆN..........3
1.1. Giới thiệu chung về cách điện của đường dây trên không.....................3
1.2. Ảnh hưởng của ô nhiễm tới các đặc tính cách điện...............................6
1.2.1. Hiện tượng phóng điện bề mặt trên cách điện sạch.................6
1.2.2. Phóng điện bề mặt trên cách điện bị nhiễm bẩn và bị ướt.......9
1.3. So sánh giữa phóng điện trên bề mặt cách điện bị nhiễm bẩn và phóng
điện trên cách điện sạch.......................................................................................16
1.4. Các thống kê về sự cố cắt điện do ô nhiễm môi trường đối với cách
điện đường dây trên không.[5]............................................................................16
1.4.1. Sự cố cắt điện tại công ty truyền tải điện 3............................16
1.4.2. Sự cố cắt điện trên lưới điện 110 kV ở tỉnh Quảng Ninh.......16
1.5. Kết luận................................................................................................17
CHƯƠNG II :....................................................................................................19
TÍNH TOÁN PHÂN BỐ ĐIỆN TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN
TỬ HỮU HẠN...................................................................................................19
2.1. Các phương pháp thường dùng trong tính toán phân bố điện áp và phân
bố điện trường.....................................................................................................19
2.1.1 Phương trình trường...............................................................19
2.1.2. Các phương pháp hiện có.......................................................20
2.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).[6]............25
2.3. Tại sao lại cần FEM.............................................................................30
2.4. Giới thiệu về phần mềm ANSYS.........................................................30
CHƯƠNG III.....................................................................................................32
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS.................................32
3.1. Giới thiệu về cách điện mô phỏng........................................................32
3.2.Trình tự tiến hành mô phỏng.................................................................35
2.2.1. Lựa chọn kiểu phân tích.........................................................35
3.2.2. Xây dựng mô hình hình học...................................................35
1
Đồ án tốt nghiệp
3.2.3.Lựa chọn kiểu phần tử phân tích và thuộc tính vật liệu..........35
3.2.4. Chia lưới cho mô hình............................................................36
3.2.5. Đặt tải và điều kiện biên lên mô hình.....................................36
3.2.6. Giải.........................................................................................36
3.2.7. Xử lý và hiển thị kết quả........................................................36
3.3. Các kết quả mô phỏng..........................................................................37
3.3.1.Cách điện trong không khí sạch..............................................37
3.3.2. Ảnh hưởng của tính chất lớp ô nhiễm lên phân bố điện trường
trên chuỗi cách điện......................................................................................42
3.3.3 Ảnh hưởng của độ dày lớp ô nhiễm lên phân bố điện trường
trên chuỗi cách điện......................................................................................52
3.3.4. Ảnh hưởng của vùng khô lên phân bố điện trường................55
CHƯƠNG IV:....................................................................................................60
THỬ NGHIỆM CÁCH ĐIỆN VÀ THÍ NGHIỆM CHỨNG MINH MÔ
PHỎNG..............................................................................................................60
4.1.Tổng quan về phương pháp thử nghiệm – Lựa chọn phương pháp thử
nghiệm phù hợp...................................................................................................60
4.1.1. Giới thiệu về tiêu chuẩn IEC 60507.......................................60
4.1.1.1.Phương pháp sương muối (SALT FOG METHOD.:...........60
4.1.1.2.Phương pháp ”LỚP RẮN”(SOLID LAYER METHOD....62
4.2. Thiết bị thử nghiệm và qui cách thử nghiệm........................................67
4.2.1.Thiết bị thử nghiệm.................................................................67
4.2.2. Trình tự thử nghiệm...............................................................68
4.2.3. Kết quả thí nghiệm.................................................................68
4.3 Phần kết luận.........................................................................................68
Phần Kết luận và kiến nghị..............................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................69
2
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG I
ẢNH HƯỞNG CỦA Ô NHIỄM TỚI CÁC ĐẶC TÍNH CÁCH ĐIỆN
1.1. Giới thiệu chung về cách điện của đường dây trên không
Đường dây tải điện trên không đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống
truyền tải và phân phối điện năng. Các phần tử chủ yếu của đường dây trên
không là dây dẫn, dây chống sét, cột, cách điện và các phụ kiện.
Cách điện đường dây dùng để cách ly các dây dẫn của đường dây với cột.
Để đảm bảo cho đường dây làm việc bình thường, cách điện đường dây phải có
các đặc tính điện và cơ tốt. Cách điện đường dây được chế tạo từ sứ hay thủy
tinh nung. Dựa vào cấu trúc các cách điện được chia thành cách điện đứng và
cách điện treo.
Các cách điện đứng dùng cho đường dây điện áp đến 35kV. Đối với các
đường dây điện áp 6-10 kV và thấp hơn cách điện đứng chỉ có một phần tử, còn
trên đường dây 22-35 kV cách điện đứng có hai phần tử.
Hình 1-1: Các cách điện đứng
Đối với các cấp điện áp cao hơn, dây dẫn được treo trên chuỗi cách điện
nên khi làm việc cách điện ở trạng thái bị kéo và như vậy tận dụng được ưu
điểm sẵn có về độ bền cơ giới của cách điện. Cách điện treo được chia ra làm 2
loại: loại thanh và loại đĩa.
Cách điện treo kiểu thanh, thường được gọi là sứ thanh. Đó là thanh sứ dài
có lá, hai đầu có mũ kim loại, đường kính của thanh chọn theo độ bền khi kéo.
Cách điện thanh treo dùng cho các đường dây điện áp cao và siêu cao. Các ưu
3
Đồ án tốt nghiệp
điểm chính của cách điện thanh là độ bền điện và độ tin cậy cao, nhẹ và rẻ tiền.
Tuy vậy nó cũng có một số nhược điểm là công nghệ chế tạo đòi hỏi kỹ thuật
hiện đại phức tạp, khi sứ thanh bị hư hỏng phải thay thế toàn bộ, việc vận
chuyển - lắp đặt – thay thế khi vận hành sứ thanh rất phức tạp.
Hình 1-2: Cách điện thanh
Cách điện treo kiểu bát được sử dụng phổ biến nhất cho các đường dây trên
không điện áp 35kV và cao hơn. Chuỗi cách điện gồm có nhiều cách điện kiểu
bát, số lượng cách điện trong chuỗi phụ thuộc vào điện áp đường dây. Đối với
đường dây 35 kV trong chuỗi có 2-3 cách điện, đường dây 110 kV có 6-7 cách
điện, đường dây 220 kV có 12-14 cách điện [1].
Cách điện đĩa của đường dây gồm có: thành phần điện môi, bộ phận kim
loại (làm mũ và chân) và vật liệu gắn kết giữa điện môi với bộ phận kim loại.
Điện môi sử dụng để chế tạo cách điện của các đường dây tải điện trên không
phải có đặc tính cơ giới cao vì chúng là các phần tử phải chịu các tải trọng cơ
học rất lớn. Các cách điện của đường dây truyền tải điện phải chịu tác động của
tải trọng của dây dẫn hàng tấn, đôi khi đến hàng chục tấn. Điện môi cũng phải
có độ bền cách điện cao, cho phép chế tạo các cách điện có độ tin cậy làm việc
cao và kinh tế. Chúng cũng phải là những vật liệu không hút ẩm và không biến
tính dưới tác động của các yếu tố khí hậu.
4
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-3: Một số loại cách điện đĩa thường dùng
Chúng ta thường sử dụng những loại cách điện dùng điện môi bằng sứ hoặc
thủy tinh vì cách điện chế tạo bằng sứ hoặc thủy tinh có cường độ cách điện cao,
độ bền cơ giới lớn và chịu đựng được các tác động của môi trường khí quyển.
Cường độ cách điện của sứ trong điện trường đồng nhất chiều dày của mẫu
sứ 1,5mm có thể đạt tới 30- 40 kV/mm. Khi độ dày tăng, cường độ cách điện có
giảm và nếu là điện trường không đồng nhất thi nó còn giảm nhiều hơn nữa. Độ
bền điện của thuỷ tinh trong điều kiện tương tự đạt 45 kV/mm. Cường độ cách
điện xung kích của sứ cao hơn so với trị số xoay chiều khoảng 50 - 70%.[2]
Độ bền cơ giới của sứ và thuỷ tinh phụ thuộc vào dạng tải trọng cơ giới. Sứ
làm việc rất tốt khi bị nén khi bị uốn thì kém hơn và đặc biệt là khi bị kéo thì
càng kém. Độ bền cơ giới của các mẫu sứ đường kính 2-3 mm đạt 450 MPa khi
nén, 70 MPa khi uốn nhưng chỉ còn 30 MPa khi kéo.
Bảng 1-1: Các đặc tính điện và cơ của các loại điện môi sứ và thuỷ tinh.[2]
Đặc tính Sứ Thuỷ tinh
Sø c¸ch Sodo-
Sø c¸ch Sodo-
®iÖn StÐatit calcique Boro-
®iÖn nhiÒu calciqu
truyÒn e postasiq silicate
nh«m e
thèng ue
§iÖn trë suÊt mÆt
H»ng sè ®iÖn m«i 25oC,
6 7,5 6,1 7,5 7,3 5,3
50Hz
tg , 25oC, 50Hz 0,01 0,095 0,002 0,015 0,013 0,04
§iÖn trë suÊt 25oC, 50Hz,
1013 1013 1014 1012,5 1013 1014
(.cm)
5
Đồ án tốt nghiệp
Cêng ®é c¸ch ®iÖn cña
170 160 180 230 250 290
mÉu 25oC, 50Hz (kV/cm)
Khèi lîng riªng (g/cm3) 2,4 2,8 2,7 2,5 2,2
§é bÒn kÐo (daN/mm2) 3 6 4,5 2 10 4,5
Module ®µn håi
7700 10700 10000 7400 7200 6700
(daN/mm2)
HÖ sè gi·n në nhiÖt 5,5.10-6 6,5.10-6 7,5.10-6 9.10-6 9,1.10-6 3,2.10-6
NhiÖt dÉn 100oC
0,004 0,007 0,006 0,0025 0,0025 0,0025
(cal/cm.s.oC)
Bảng 1-2: Kích thước và đặc tính của cách điện đĩa. [2]
KÝch thíc Cêng ®é
§iÖn ¸p ®iÖn tr-
ChiÒu
xuÊt êng
dµi ®- HÖ sè
Lo¹i c¸ch hiÖn phãng
êng rß sö Ghi chó
®iÖn H, mm D, mm vÇng ®iÖn ít
®iÖn, dông
quang trung
mm
kV b×nh
kV/cm
6-B 140 270 324 1,1 35 2,5 Sø
16-A 173 280 365 1,2 - 2,4
20-A 194 350 420 1,1 - 2,4
C6-A 130 255 155 1,0 28 2,6 Thuû tinh
C12-A 140 260 325 1,2 35 2,3
C16-B 170 280 387 1,2 40 2,3
C22-A 200 320 390 1,1 40 2,3
C30-A 190 320 425 1,1 45 2,0
C40-A 190 330 445 1,1 50 2,0
vïng « nhiÔm
5-A 194 250 450 - - -
cao
6-A 198 270 455
6
Đồ án tốt nghiệp
8-A 214 300 470
C16-A 160 320 480
C22-A 185 370 570
- lµ ký hiÖu cña lo¹i c¸ch ®iÖn treo sø; C- lµ ký hiÖu cña lo¹i c¸ch
®iÖn thuû tinh treo
- c¸ch ®iÖn dïng trong vïng « nhiÔm cao
Trong những năm gần đây các cách điện còn đươc chế tạo từ các vật liệu
mới là nhựa epoxy và polyster. Sử dụng các vật liệu này cho phép giải quyết đơn
giản các vấn đề về hình dáng, cấu trúc và độ bền của cách điện. Tuy nhiên, cách
điện bằng sứ và thủy tinh vẫn được áp dụng rộng rãi vì rẻ tiền hơn nhiều trong
khi các đặc tính về điện và cơ giới không bị sút kém (thống kê về tình hình sử
dụng cách điện ở Việt Nam).
1.2. Ảnh hưởng của ô nhiễm tới các đặc tính cách điện
Khi đường dây đi qua những vùng có bụi bẩn dẫn điện như: vùng công
nghiệp hóa chất, luyện kim, khai thác mỏ, vùng duyên hải…thì cách điện của
đường dây bị suy giảm rất nhiều, tại những vùng này thường xuyên xảy ra hiện
tượng phóng điện trên cách điện, gây ra các sự cố mất điện, hư hỏng cách điện,
gây thiệt hại kinh tế cho việc vận hành lưới điện.
Để vận hành an toàn người ta phải dùng các cách điện đặc biệt – cách điện
dùng cho vùng ô nhiễm. Ngoài kết cấu và chủng loại điện môi như cách điện
bình thường, thì chúng có suất chiều dài đường rò (là chiều dài rò điện ứng với
1kV điện áp đường dây) lớn hơn nhiều so với cách điện bình thường (đối với
loại thường chiều dài rò điện khoảng 1,5 cm/kV còn ở loại đặc biệt chiều dài
này không bé hơn 2,25 cm/kV).[2]
7
Đồ án tốt nghiệp
a): Dùng cho cột néo
b) và c): Dùng cho cột trung gian
Hình 1-4: Một số loại cách điện đĩa dùng cho vùng ô nhiễm.
Nguyên nhân gây ra phóng điện là do lớp nhiễm bẩn trên bề mặt cách điện
có khả năng dẫn điện từ đó làm xuất hiện những vùng có điện trường lớn gây ra
phóng điện cục bộ từ đó phát triển thành phóng điện toàn phần
Ta đi phân tích nguyên nhân gây ra hiện tượng phóng điện trên bề mặt cách
điện .
1.2.1. Hiện tượng phóng điện bề mặt trên cách điện sạch
Cách điện của đường dây 35 kV quan trọng và của các đường dây điện áp
cao hơn thường được thực hiện bằng chuỗi gồm nhiều đĩa cách điện. Số đĩa
nhiều ít tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng cấp điện áp. Dọc theo đường dây, ở các
cột trung gian chuỗi cách điện đặt theo đường thẳng còn ở các cột néo được đặt
hầu như nằm ngang và chịu lực căng của dây dẫn.
Về điện áp phóng điện không thể tính toán đơn giản bằng cách lấy điện áp
phóng điện của từng đĩa đem nhân với số đĩa trong chuỗi mà cần phải xét đến sự
phân bố điện áp và đặc điển của quá trình phóng điện dọc theo chuỗi. Quá trình
này có thể phát triển theo một trong ba đường:[2]
8
Đồ án tốt nghiệp
E
lp C A H
B
A1
D L
F
D
Hình 1-5: Quá trình phóng điện dọc chuỗi cách điện
Hoàn toàn dọc theo bề mặt cách đìện tức là theo đường CBA hoặc CBA1
Theo đường CBD với chiều dài phóng điện n.lp (n là số đĩa trong chuỗi).
Theo đường ngắn nhất EF mà chiều dài của nó gần bằng trị số L=nH.
Cường độ cách điện theo đường EF thực tế bằng cường độ cách điện của
khe hở khí giữa điện cực thanh - thanh do đó thường có trị số cao hơn so với
cường độ cách điện theo đường CBD (tuy có nhiều dài phóng điện dài hơn
nhưng do có một phần đi men theo mặt ngoài của điện môi nên điện áp phóng
điện bé). Đó cũng là giới hạn trên của trị số điện áp phóng điện của chuỗi và suy
ra biện pháp nâng cao điện áp phóng điện là phải tăng tỷ số lp/H sao cho cường
độ cách điện theo đường CBD đạt được mức của đường EF. Thực nghiệm cho
9
Đồ án tốt nghiệp
thấy khi tỷ số lp/H bằng khoảng 1,3 thì có thể đạt được yêu cầu trên và trong sản
xuất tỷ số này thường chọn trang giới hạn 1,15-1,35.[2]
Sự phân bố điên áp trên các đĩa của chuỗi cách điện cũng ảnh hưởng đến trị
số điện áp phóng điện
Hình 1-6: Sơ đồ thay thế chuỗi cách điện
C - điện dung của từng đĩa cách điện.
C1- điện dung của từng đĩa cách điện đối với các phần tử nối đất.
C2 - điện dung của từng đĩa cách điện đối với dây dẫn, trị số của
chúng phụ thuộc vào vị trị của từng đĩa trong chuỗi.
Nếu như điện dung tổng của chuỗi cách điện C Σ=C/n (trong đó n là số đĩa
trong chuỗi) lớn hơn rất nhiều so với các điện dung C1 và C2 thì phân bố điện
áp dọc theo chuỗi cách điện gần như đồng đều.
Từ sơ đồ thay thế chuỗi sứ, ta thấy nguyên nhân làm cho điện áp phân bố
không đều là do ảnh hưởng của điện dung ký sinh C1, C2. Chúng có các ảnh
hưởng ngược nhau đối với sự phân bố điện áp giáng trên đĩa cách điện: nếu chỉ
xét riêng tác dụng của điện dung C1 thì điện áp giáng trên đĩa cách điện càng ở
10
Đồ án tốt nghiệp
xa dây dẫn càng bé đi và ngược lại nếu chỉ xét riêng tác dụng của C2 thì điện áp
giáng lại có chiều hướng tăng khi cách điện ở xa dây dẫn.
Do ảnh hưởng của các điện dung ký sinh làm cho phân bố điện áp trên từng
phần tử của chuỗi không đồng đều. Điện áp đặt lên phần tử gần dây dẫn nhất là
lớn nhất, vì vậy điện trường trong khu vực xung quanh của phần tử này cũng lớn
nhất. Nếu trị số điện trường ở khu vực này lớn hơn điện trường phát sinh vầng
quang của không khí, vầng quang sẽ phát sinh và có thể gây phóng điện bề mặt
trên chuỗi cách điện. Trong các trường hợp đó phải tiến hành các biện pháp
nhằm cải thiện sự phân bố đìện áp trền chuỗi cách điện.
1.2.2. Phóng điện bề mặt trên cách điện bị nhiễm bẩn và bị ướt
a) Ảnh hưởng của ô nhiễm tới phân bố điện áp [3]
Như phần trên đã phân tích trong trường hợp cách điện sạch thì phân bố
điện áp dọc theo chuỗi cách điện phụ thuộc vào điện dung của từng phần tử và
điện dung ký sinh. Nhưng khi cách điện bị nhiễm bẩn thì sự phân bố điện áp này
lại phụ thuộc rất nhiều vào mức độ ô nhiễm.
Thật vậy, xét một đoạn nhỏ trên chiều dài của cách điện ở bán kính r, có
một lớp dẫn điện trên bề mặt như hình vẽ:
Hình 1-7: Một phần cách điện bị nhiễm bẩn
11
Đồ án tốt nghiệp
Cách điện có hằng số điện môi ;
Lớp ô nhiễm có chiều dày d << r , và có điện dẫn suất khối là v ,
Có thể thay thế cho phần cách điện bị nhiễm bẩn này bằng một mạch điện
thay thế như sau:
Hình 1-8: Mạch điện thay thế
Trong mạch điện thay thế trên thì điện trở, R lớp ô nhiễm giữa mặt trên và
mặt dưới được tính như sau:
(1.1)
Với S =v.d là suất dẫn điện bề mặt
Và điện dung, C được tính là :
(1.2)
Ở tần số dòng điện là f thì dung kháng của tụ điện, Xc là :
(1.3)
Như vậy ta có tỷ lệ giữa Xc và R là :
(1.4)
Với các giá trị trung bình của cách điện đĩa ( r = 10 cm = 0,1m; S = 14,5
; ; ( : hằng số điện môi chân không ); f = 50 Hz (
12
Đồ án tốt nghiệp
tần số dòng điện công nghiệp). Ta thu được tỷ lệ là 1,74.10 4, điều này có nghĩa
là ở tần số 50 Hz thì điện trở của lớp ô nhiễm dẫn điện trên bề mặt của cách điện
luôn rất nhỏ so với dung kháng của cách điện đó, vì vậy sự phân bố điện áp dọc
bề mặt cách điện phụ thuộc rất nhiều vào mức độ dẫn điện của lớp ô nhiễm.
Như vậy khi cách điện bị nhiễm bẩn thì phân bố thế trên bề mặt của nó phụ
thuộc rất nhiều vào tình trạng ô nhiễm và ít bị ảnh hưởng của các loại điện dung
trên cách điện đó, độ ô nhiễm càng lớn, mức độ che phủ bề mặt cách điện của ô
nhiễm càng cao, và điện dẫn của lớp ô nhiễm càng lớn thì phân bố điện áp sẽ
thay đổi rất mạnh so với khi không bị ô nhiễm
b) Hiện tượng phóng điện bề mặt trên cách điện bẩn
Trong môi trường tự nhiên, cách điện vận hành trực tiếp chịu ảnh hưởng
bởi môi trường không khí như bụi than, muối, bụi đất, SO 2…, nó dần hình thành
một lớp nhiễm bẩn trên bề mặt cách điện. Nếu lớp bụi này khô ráo, nó có điện
trở rất cao và không gây ảnh hưởng đáng kể đến điện áp phóng điện, điện thế
phóng điện gần với điện thế phóng điện trong trạng thái khô, sạch.
Khi trời ẩm, có sương hoặc có mưa nhỏ… chất nhiễm bẩn trên bề mặt cách
điện hấp thụ nước làm cho chất điện phân trong lớp ô nhiễm phân rã và ion hóa,
làm tăng điện dẫn của lớp này hình thành lớp dẫn điện, lúc đó dòng rò trên bề
mặt cách điện tăng lên. Vì hình dạng, cấu trúc, kết cấu của cách điện khác nhau
cũng như sự phân bố của lớp bẩn trên bề mặt cách điện không đồng đều nên
điện trở của nó luôn thay đổi và mật độ dòng rò ở các vị trí khác nhau cũng thay
đổi. Dòng điện rò lớn đốt nóng bề mặt, sự phát nóng càng mãnh liệt tại những
chỗ mà điện trở trên đơn vị dài dọc theo đường phóng điện có trị số lớn. Ở
những nơi này mặt ngoài được sấy khô (hình thành vùng khô), điện trở tăng
đồng thời cũng sẽ chịu phần điện áp giáng lớn tạo điều kiện cho trường tăng cục
bộ. Khi điện cường độ điện trường đủ mạnh sẽ gây ra phóng điện cục bộ làm
cho dòng điện rò tổng tăng lên (chiều dài rò điện được rút ngắn vì những nơi có
phóng điện cục bộ coi như ngắn mạch).
13
Đồ án tốt nghiệp
Quá trình tiếp theo diễn biến tương tự, phần đoạn đường còn lại tiếp tục
được sấy khô và cũng xuất hiện phóng điện cục bộ. Khi tăng điện áp thì phóng
điện cục bộ xuất hiện càng nhiều và có thể xảy ra cùng một lúc tại nhiều chỗ
khác nhau trên bề mặt cách điện, và khi mà các vùng có phóng điện này được
nối liền với nhau thì sẽ dẫn đến phóng điện hoàn toàn. Quá trình phóng điện này
diễn ra tương đối chậm, không liên tục nên phụ thuộc vào thời gian tác động của
điện áp.
Khi mặt ngoài điện môi bị ướt (do mưa) thì phần trên của cách điện bị ướt,
phần dưới ít bị ướt hơn nên phải chịu phần điện áp giáng lớn có thể xảy ra
phóng điện trên bề mặt.
c) Các giá trị tới hạn để phát sinh phóng điện trên bề mặt cách điện bị
nhiễm bẩn (Vc; Ec; Ic; Sc)
Trong phần này ta đi tìm các giá trị: Điện áp phóng điện tới hạn V c; cường
độ điện trường tới hạn Ec; dòng điện rò tới hạn Ic; là các giá trị mà khi đạt tới nó
sẽ xuất hiện phóng điện bề mặt.
Obenaus [4] là người đầu tiên phân tích hiện tượng phóng điện trên bề mặt
cách điện bị ô nhiễm. Ông cho rằng chính sự tương tác lẫn nhau giữa tính chất
“điện trở âm” của hồ quang ( negative arc resistance ) của phóng điện
cục bộ và điện trở đặc trưng cho lớp bẩn đã làm cho điện áp phóng điện bề mặt
giảm thấp.
Hồ quang điện là một dạng phóng điện tự duy trì. Đặc tính “ điện trở âm”
là một tính chất quan trọng của hồ quang điện, nó có ý nghĩa là : “Trong khi
dòng điện hồ quang tăng lên thì điện áp của nó lại giảm đi ”.
Xét một lớp ô nhiễm dẫn điện trên cách điện có một vùng đã xảy ra phóng
điện hồ quang cục bộ. Bây giờ ta đi tìm điều kiện để xảy ra phóng điện trên
toàn miền ô nhiễm đó.
Sơ đồ mô tả hiện tượng như sau:
14
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-9: Mô hình phóng điện với nguồn điện một chiều
Điện áp hồ quang được tính theo công thức sau :
hay
(1.5)
Trong đó :
Vs : điện áp đặt lên cách điện
Va : điện áp hồ quang
A , a : là các hằng số hồ quang .
X : chiều dài vùng khô
Xa : chiều dài hồ quang
ka : hệ số chiều dài hồ quang 0 < ka < 1
L : chiều dài đường bò ( creepage length)
I : dòng điện rò (A).
Như vậy theo định luật KiếcHốp điện áp đặt lên toàn bộ mạch điện là
Vs = Va + R(X).I (1.6)
15
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-10: Mô hình mạch KiếcHốp thay thế
Với mối quan hệ giữa điện trở của lớp dẫn điện và chiều dài vùng khô
R(X) = rpu.( L – X ) (1.7)
rpu: giá trị điện trở trung bình trên một đơn vị chiều dài
Để minh họa cho điều kiện gây ra phóng điện bề mặt ta lấy một vài giá trị
các thông số cụ thể để tính toán như sau: L = 100 mm, r pu = 100 , A = 6.3
và a = 0,76; thay vào (1.7) (1.6) và (1.5) ta vẽ được các quan hệ như hình sau:
Khi chiều dài hồ quang X = 67 mm ta được quan hệ V-I theo phương trình
(1.6)
16
Đồ án tốt nghiệp
7000
6000
5000
V: Điện áp(V)
4000 Vs
rpu(L-X).I
3000 Va
V1
2000
1000
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
I: Dòng điện rò (A)
Hình 1-11a: Quan hệ V-I theo phương trình (1.6) ứng với X= 67 mm
Nhận xét: Hình 1-11a mối quan hệ Vs-I cho thấy luôn tồn tại một giá trị
điện áp nhỏ nhất là, V 1. Nếu điện áp nguồn Vs nhỏ hơn giá trị này thì không thể
tồn tại hồ quang.
Bây giờ ta thay đổi chiều dài của hồ quang (nếu xảy ra) lần lượt là (X=30,
50, 67, 90mm) ta vẽ được mối quan hệ giữa Vs và I khi X thay đổi như sau.
17
Đồ án tốt nghiệp
7000
6000
Vs: Điện áp nguồn (V)
5000 X=30
X=50
4000 X=67
X=90
3000
Vc
2000
1000
Ic
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
I: Dòng điện rò (A)
Hình 1-11b: Điện áp nguồn cần thiết ứng với chiều dài hồ quang thay
đổi
Hình 1-11b cho ta thấy các đường cong phụ thuộc giữa điện áp nguồn cần
thiết để tồn tại được hồ quang với dòng điện rò.
Nhận xét: V1 khác nhau với mỗi giá trị của X và đạt giá trị lớn nhất, gọi là
giá trị điện áp tới hạn V c, xuất hiện khi X = 30. Từ đó ta dễ nhận thấy nếu V s >
Vc thì hồ quang duy trì có thể tồn tại với mọi giá trị X, điều này có nghĩa là khi
hồ quang sẽ bắc cầu trong toàn bộ chiều dài cách điện đó chính là hiện tượng
phóng điện bề mặt.
Bây giờ ta đi tính các giá trị tới hạn này.
18
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-7: Mô hình cách điện hình trụ bị ô nhiễm
Giả sử
s : suất dẫn điện bề mặt ( S).
v : suất dẫn điên khối (đơn vị S/m)
d :chiều dày của lớp dẫn điện đó (đơn vị m) thì mối liên hệ giữa rpu và s
với mô hình đồng nhất hình trụ bán kính r là :
= (1.8)
đối với cách điện thực tế thì :
(1.9)
với F: là hệ số hình dạng .
và r(s) là bán kính tại vị trí s trên chiều dài cùa cách điện .
Bây giờ ta thay (1.9) (1.7) và (1.5) vào (1.6) ta có:
(1.10)
Phân tích mối quan hệ giữa V, I , X và thấy rằng I và X tăng nhanh
mãnh liệt khi điều kiện tới hạn sau được thoả mãn.:
(1.11)
(1.12)
Sc : là suất chiều dài đường bò ( mm/kV )
Khi phân tích điều kiện để xảy ra phóng điện Alston[ [4]đã chỉ ra cường độ
điện trường tới hạn để có thể xảy ra phóng điện là :
(1.13)
Trong đó :
và Vc là giá trị điện áp nguồn tới hạn để xảy ra phóng điện
19
Đồ án tốt nghiệp
Giá trị này xuất hiện khi hồ quang có chiều dài là
Xc = (1.14)
tương ứng với dòng điện tới hạn là :
(1.15)
Các hằng số hồ quang tính được bằng thực nghiệm A = 6,3 và a = 0,76
Từ đó ta có :
(1.16)
Theo IEC Guide[IEC1986] tuỳ thuộc vào mức độ ô nhiễm mà giá trị của
giá trị này thay đổi
Bảng 1-3: Cường độ điện trường tới hạn để có thể xảy ra phóng điện[4]
Mật độ muối
Suất chiều dài Cường độ điện
(mg/cm2)
Cấp độ ô nhiễm đường bò nhỏ trường tới hạn, Ec
Theo tiêu chuẩn
nhất, Sc (mm/kV) (kV/m)
IEC - 60815
I (Nhẹ) 16 36
II (Trung
0,06 - 0,1 20 29
bình)
III (Nặng) 0,1- 0,25 25 23
IV ( Rất nặng) >0,25 – 0,35 31 19
Kết luận : Qua sự phân tích ở trên ta thấy rằng lớp ô nhiễm trên bề mặt
của cách điện có ảnh hưởng rất lớn tới cách điện của đường dây. Ở điều kiện áp
suất tiêu chuẩn cường độ điện trường để xảy ra phóng điện chọc thủng của
không khí trong điều kiện trường đồng nhất khoảng 3kV/mm. Còn khi trường
không đồng nhất giá trị này chỉ còn khoảng 1kV/mm. Khi cách điện bị ô nhiễm
điện trường trên bề mặt cách điện trở lên rất không đồng nhất tại một số vùng.
20
CHƯƠNG I..........................................................................................................3
ẢNH HƯỞNG CỦA Ô NHIỄM TỚI CÁC ĐẶC TÍNH CÁCH ĐIỆN..........3
1.1. Giới thiệu chung về cách điện của đường dây trên không.....................3
1.2. Ảnh hưởng của ô nhiễm tới các đặc tính cách điện...............................6
1.2.1. Hiện tượng phóng điện bề mặt trên cách điện sạch.................6
1.2.2. Phóng điện bề mặt trên cách điện bị nhiễm bẩn và bị ướt.......9
1.3. So sánh giữa phóng điện trên bề mặt cách điện bị nhiễm bẩn và phóng
điện trên cách điện sạch.......................................................................................16
1.4. Các thống kê về sự cố cắt điện do ô nhiễm môi trường đối với cách
điện đường dây trên không.[5]............................................................................16
1.4.1. Sự cố cắt điện tại công ty truyền tải điện 3............................16
1.4.2. Sự cố cắt điện trên lưới điện 110 kV ở tỉnh Quảng Ninh.......16
1.5. Kết luận................................................................................................17
CHƯƠNG II :....................................................................................................19
TÍNH TOÁN PHÂN BỐ ĐIỆN TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN
TỬ HỮU HẠN...................................................................................................19
2.1. Các phương pháp thường dùng trong tính toán phân bố điện áp và phân
bố điện trường.....................................................................................................19
2.1.1 Phương trình trường...............................................................19
2.1.2. Các phương pháp hiện có.......................................................20
2.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).[6]............25
2.3. Tại sao lại cần FEM.............................................................................30
2.4. Giới thiệu về phần mềm ANSYS.........................................................30
CHƯƠNG III.....................................................................................................32
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS.................................32
3.1. Giới thiệu về cách điện mô phỏng........................................................32
3.2.Trình tự tiến hành mô phỏng.................................................................35
2.2.1. Lựa chọn kiểu phân tích.........................................................35
3.2.2. Xây dựng mô hình hình học...................................................35
1
Đồ án tốt nghiệp
3.2.3.Lựa chọn kiểu phần tử phân tích và thuộc tính vật liệu..........35
3.2.4. Chia lưới cho mô hình............................................................36
3.2.5. Đặt tải và điều kiện biên lên mô hình.....................................36
3.2.6. Giải.........................................................................................36
3.2.7. Xử lý và hiển thị kết quả........................................................36
3.3. Các kết quả mô phỏng..........................................................................37
3.3.1.Cách điện trong không khí sạch..............................................37
3.3.2. Ảnh hưởng của tính chất lớp ô nhiễm lên phân bố điện trường
trên chuỗi cách điện......................................................................................42
3.3.3 Ảnh hưởng của độ dày lớp ô nhiễm lên phân bố điện trường
trên chuỗi cách điện......................................................................................52
3.3.4. Ảnh hưởng của vùng khô lên phân bố điện trường................55
CHƯƠNG IV:....................................................................................................60
THỬ NGHIỆM CÁCH ĐIỆN VÀ THÍ NGHIỆM CHỨNG MINH MÔ
PHỎNG..............................................................................................................60
4.1.Tổng quan về phương pháp thử nghiệm – Lựa chọn phương pháp thử
nghiệm phù hợp...................................................................................................60
4.1.1. Giới thiệu về tiêu chuẩn IEC 60507.......................................60
4.1.1.1.Phương pháp sương muối (SALT FOG METHOD.:...........60
4.1.1.2.Phương pháp ”LỚP RẮN”(SOLID LAYER METHOD....62
4.2. Thiết bị thử nghiệm và qui cách thử nghiệm........................................67
4.2.1.Thiết bị thử nghiệm.................................................................67
4.2.2. Trình tự thử nghiệm...............................................................68
4.2.3. Kết quả thí nghiệm.................................................................68
4.3 Phần kết luận.........................................................................................68
Phần Kết luận và kiến nghị..............................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................69
2
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG I
ẢNH HƯỞNG CỦA Ô NHIỄM TỚI CÁC ĐẶC TÍNH CÁCH ĐIỆN
1.1. Giới thiệu chung về cách điện của đường dây trên không
Đường dây tải điện trên không đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống
truyền tải và phân phối điện năng. Các phần tử chủ yếu của đường dây trên
không là dây dẫn, dây chống sét, cột, cách điện và các phụ kiện.
Cách điện đường dây dùng để cách ly các dây dẫn của đường dây với cột.
Để đảm bảo cho đường dây làm việc bình thường, cách điện đường dây phải có
các đặc tính điện và cơ tốt. Cách điện đường dây được chế tạo từ sứ hay thủy
tinh nung. Dựa vào cấu trúc các cách điện được chia thành cách điện đứng và
cách điện treo.
Các cách điện đứng dùng cho đường dây điện áp đến 35kV. Đối với các
đường dây điện áp 6-10 kV và thấp hơn cách điện đứng chỉ có một phần tử, còn
trên đường dây 22-35 kV cách điện đứng có hai phần tử.
Hình 1-1: Các cách điện đứng
Đối với các cấp điện áp cao hơn, dây dẫn được treo trên chuỗi cách điện
nên khi làm việc cách điện ở trạng thái bị kéo và như vậy tận dụng được ưu
điểm sẵn có về độ bền cơ giới của cách điện. Cách điện treo được chia ra làm 2
loại: loại thanh và loại đĩa.
Cách điện treo kiểu thanh, thường được gọi là sứ thanh. Đó là thanh sứ dài
có lá, hai đầu có mũ kim loại, đường kính của thanh chọn theo độ bền khi kéo.
Cách điện thanh treo dùng cho các đường dây điện áp cao và siêu cao. Các ưu
3
Đồ án tốt nghiệp
điểm chính của cách điện thanh là độ bền điện và độ tin cậy cao, nhẹ và rẻ tiền.
Tuy vậy nó cũng có một số nhược điểm là công nghệ chế tạo đòi hỏi kỹ thuật
hiện đại phức tạp, khi sứ thanh bị hư hỏng phải thay thế toàn bộ, việc vận
chuyển - lắp đặt – thay thế khi vận hành sứ thanh rất phức tạp.
Hình 1-2: Cách điện thanh
Cách điện treo kiểu bát được sử dụng phổ biến nhất cho các đường dây trên
không điện áp 35kV và cao hơn. Chuỗi cách điện gồm có nhiều cách điện kiểu
bát, số lượng cách điện trong chuỗi phụ thuộc vào điện áp đường dây. Đối với
đường dây 35 kV trong chuỗi có 2-3 cách điện, đường dây 110 kV có 6-7 cách
điện, đường dây 220 kV có 12-14 cách điện [1].
Cách điện đĩa của đường dây gồm có: thành phần điện môi, bộ phận kim
loại (làm mũ và chân) và vật liệu gắn kết giữa điện môi với bộ phận kim loại.
Điện môi sử dụng để chế tạo cách điện của các đường dây tải điện trên không
phải có đặc tính cơ giới cao vì chúng là các phần tử phải chịu các tải trọng cơ
học rất lớn. Các cách điện của đường dây truyền tải điện phải chịu tác động của
tải trọng của dây dẫn hàng tấn, đôi khi đến hàng chục tấn. Điện môi cũng phải
có độ bền cách điện cao, cho phép chế tạo các cách điện có độ tin cậy làm việc
cao và kinh tế. Chúng cũng phải là những vật liệu không hút ẩm và không biến
tính dưới tác động của các yếu tố khí hậu.
4
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-3: Một số loại cách điện đĩa thường dùng
Chúng ta thường sử dụng những loại cách điện dùng điện môi bằng sứ hoặc
thủy tinh vì cách điện chế tạo bằng sứ hoặc thủy tinh có cường độ cách điện cao,
độ bền cơ giới lớn và chịu đựng được các tác động của môi trường khí quyển.
Cường độ cách điện của sứ trong điện trường đồng nhất chiều dày của mẫu
sứ 1,5mm có thể đạt tới 30- 40 kV/mm. Khi độ dày tăng, cường độ cách điện có
giảm và nếu là điện trường không đồng nhất thi nó còn giảm nhiều hơn nữa. Độ
bền điện của thuỷ tinh trong điều kiện tương tự đạt 45 kV/mm. Cường độ cách
điện xung kích của sứ cao hơn so với trị số xoay chiều khoảng 50 - 70%.[2]
Độ bền cơ giới của sứ và thuỷ tinh phụ thuộc vào dạng tải trọng cơ giới. Sứ
làm việc rất tốt khi bị nén khi bị uốn thì kém hơn và đặc biệt là khi bị kéo thì
càng kém. Độ bền cơ giới của các mẫu sứ đường kính 2-3 mm đạt 450 MPa khi
nén, 70 MPa khi uốn nhưng chỉ còn 30 MPa khi kéo.
Bảng 1-1: Các đặc tính điện và cơ của các loại điện môi sứ và thuỷ tinh.[2]
Đặc tính Sứ Thuỷ tinh
Sø c¸ch Sodo-
Sø c¸ch Sodo-
®iÖn StÐatit calcique Boro-
®iÖn nhiÒu calciqu
truyÒn e postasiq silicate
nh«m e
thèng ue
§iÖn trë suÊt mÆt
H»ng sè ®iÖn m«i 25oC,
6 7,5 6,1 7,5 7,3 5,3
50Hz
tg , 25oC, 50Hz 0,01 0,095 0,002 0,015 0,013 0,04
§iÖn trë suÊt 25oC, 50Hz,
1013 1013 1014 1012,5 1013 1014
(.cm)
5
Đồ án tốt nghiệp
Cêng ®é c¸ch ®iÖn cña
170 160 180 230 250 290
mÉu 25oC, 50Hz (kV/cm)
Khèi lîng riªng (g/cm3) 2,4 2,8 2,7 2,5 2,2
§é bÒn kÐo (daN/mm2) 3 6 4,5 2 10 4,5
Module ®µn håi
7700 10700 10000 7400 7200 6700
(daN/mm2)
HÖ sè gi·n në nhiÖt 5,5.10-6 6,5.10-6 7,5.10-6 9.10-6 9,1.10-6 3,2.10-6
NhiÖt dÉn 100oC
0,004 0,007 0,006 0,0025 0,0025 0,0025
(cal/cm.s.oC)
Bảng 1-2: Kích thước và đặc tính của cách điện đĩa. [2]
KÝch thíc Cêng ®é
§iÖn ¸p ®iÖn tr-
ChiÒu
xuÊt êng
dµi ®- HÖ sè
Lo¹i c¸ch hiÖn phãng
êng rß sö Ghi chó
®iÖn H, mm D, mm vÇng ®iÖn ít
®iÖn, dông
quang trung
mm
kV b×nh
kV/cm
6-B 140 270 324 1,1 35 2,5 Sø
16-A 173 280 365 1,2 - 2,4
20-A 194 350 420 1,1 - 2,4
C6-A 130 255 155 1,0 28 2,6 Thuû tinh
C12-A 140 260 325 1,2 35 2,3
C16-B 170 280 387 1,2 40 2,3
C22-A 200 320 390 1,1 40 2,3
C30-A 190 320 425 1,1 45 2,0
C40-A 190 330 445 1,1 50 2,0
vïng « nhiÔm
5-A 194 250 450 - - -
cao
6-A 198 270 455
6
Đồ án tốt nghiệp
8-A 214 300 470
C16-A 160 320 480
C22-A 185 370 570
- lµ ký hiÖu cña lo¹i c¸ch ®iÖn treo sø; C- lµ ký hiÖu cña lo¹i c¸ch
®iÖn thuû tinh treo
- c¸ch ®iÖn dïng trong vïng « nhiÔm cao
Trong những năm gần đây các cách điện còn đươc chế tạo từ các vật liệu
mới là nhựa epoxy và polyster. Sử dụng các vật liệu này cho phép giải quyết đơn
giản các vấn đề về hình dáng, cấu trúc và độ bền của cách điện. Tuy nhiên, cách
điện bằng sứ và thủy tinh vẫn được áp dụng rộng rãi vì rẻ tiền hơn nhiều trong
khi các đặc tính về điện và cơ giới không bị sút kém (thống kê về tình hình sử
dụng cách điện ở Việt Nam).
1.2. Ảnh hưởng của ô nhiễm tới các đặc tính cách điện
Khi đường dây đi qua những vùng có bụi bẩn dẫn điện như: vùng công
nghiệp hóa chất, luyện kim, khai thác mỏ, vùng duyên hải…thì cách điện của
đường dây bị suy giảm rất nhiều, tại những vùng này thường xuyên xảy ra hiện
tượng phóng điện trên cách điện, gây ra các sự cố mất điện, hư hỏng cách điện,
gây thiệt hại kinh tế cho việc vận hành lưới điện.
Để vận hành an toàn người ta phải dùng các cách điện đặc biệt – cách điện
dùng cho vùng ô nhiễm. Ngoài kết cấu và chủng loại điện môi như cách điện
bình thường, thì chúng có suất chiều dài đường rò (là chiều dài rò điện ứng với
1kV điện áp đường dây) lớn hơn nhiều so với cách điện bình thường (đối với
loại thường chiều dài rò điện khoảng 1,5 cm/kV còn ở loại đặc biệt chiều dài
này không bé hơn 2,25 cm/kV).[2]
7
Đồ án tốt nghiệp
a): Dùng cho cột néo
b) và c): Dùng cho cột trung gian
Hình 1-4: Một số loại cách điện đĩa dùng cho vùng ô nhiễm.
Nguyên nhân gây ra phóng điện là do lớp nhiễm bẩn trên bề mặt cách điện
có khả năng dẫn điện từ đó làm xuất hiện những vùng có điện trường lớn gây ra
phóng điện cục bộ từ đó phát triển thành phóng điện toàn phần
Ta đi phân tích nguyên nhân gây ra hiện tượng phóng điện trên bề mặt cách
điện .
1.2.1. Hiện tượng phóng điện bề mặt trên cách điện sạch
Cách điện của đường dây 35 kV quan trọng và của các đường dây điện áp
cao hơn thường được thực hiện bằng chuỗi gồm nhiều đĩa cách điện. Số đĩa
nhiều ít tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng cấp điện áp. Dọc theo đường dây, ở các
cột trung gian chuỗi cách điện đặt theo đường thẳng còn ở các cột néo được đặt
hầu như nằm ngang và chịu lực căng của dây dẫn.
Về điện áp phóng điện không thể tính toán đơn giản bằng cách lấy điện áp
phóng điện của từng đĩa đem nhân với số đĩa trong chuỗi mà cần phải xét đến sự
phân bố điện áp và đặc điển của quá trình phóng điện dọc theo chuỗi. Quá trình
này có thể phát triển theo một trong ba đường:[2]
8
Đồ án tốt nghiệp
E
lp C A H
B
A1
D L
F
D
Hình 1-5: Quá trình phóng điện dọc chuỗi cách điện
Hoàn toàn dọc theo bề mặt cách đìện tức là theo đường CBA hoặc CBA1
Theo đường CBD với chiều dài phóng điện n.lp (n là số đĩa trong chuỗi).
Theo đường ngắn nhất EF mà chiều dài của nó gần bằng trị số L=nH.
Cường độ cách điện theo đường EF thực tế bằng cường độ cách điện của
khe hở khí giữa điện cực thanh - thanh do đó thường có trị số cao hơn so với
cường độ cách điện theo đường CBD (tuy có nhiều dài phóng điện dài hơn
nhưng do có một phần đi men theo mặt ngoài của điện môi nên điện áp phóng
điện bé). Đó cũng là giới hạn trên của trị số điện áp phóng điện của chuỗi và suy
ra biện pháp nâng cao điện áp phóng điện là phải tăng tỷ số lp/H sao cho cường
độ cách điện theo đường CBD đạt được mức của đường EF. Thực nghiệm cho
9
Đồ án tốt nghiệp
thấy khi tỷ số lp/H bằng khoảng 1,3 thì có thể đạt được yêu cầu trên và trong sản
xuất tỷ số này thường chọn trang giới hạn 1,15-1,35.[2]
Sự phân bố điên áp trên các đĩa của chuỗi cách điện cũng ảnh hưởng đến trị
số điện áp phóng điện
Hình 1-6: Sơ đồ thay thế chuỗi cách điện
C - điện dung của từng đĩa cách điện.
C1- điện dung của từng đĩa cách điện đối với các phần tử nối đất.
C2 - điện dung của từng đĩa cách điện đối với dây dẫn, trị số của
chúng phụ thuộc vào vị trị của từng đĩa trong chuỗi.
Nếu như điện dung tổng của chuỗi cách điện C Σ=C/n (trong đó n là số đĩa
trong chuỗi) lớn hơn rất nhiều so với các điện dung C1 và C2 thì phân bố điện
áp dọc theo chuỗi cách điện gần như đồng đều.
Từ sơ đồ thay thế chuỗi sứ, ta thấy nguyên nhân làm cho điện áp phân bố
không đều là do ảnh hưởng của điện dung ký sinh C1, C2. Chúng có các ảnh
hưởng ngược nhau đối với sự phân bố điện áp giáng trên đĩa cách điện: nếu chỉ
xét riêng tác dụng của điện dung C1 thì điện áp giáng trên đĩa cách điện càng ở
10
Đồ án tốt nghiệp
xa dây dẫn càng bé đi và ngược lại nếu chỉ xét riêng tác dụng của C2 thì điện áp
giáng lại có chiều hướng tăng khi cách điện ở xa dây dẫn.
Do ảnh hưởng của các điện dung ký sinh làm cho phân bố điện áp trên từng
phần tử của chuỗi không đồng đều. Điện áp đặt lên phần tử gần dây dẫn nhất là
lớn nhất, vì vậy điện trường trong khu vực xung quanh của phần tử này cũng lớn
nhất. Nếu trị số điện trường ở khu vực này lớn hơn điện trường phát sinh vầng
quang của không khí, vầng quang sẽ phát sinh và có thể gây phóng điện bề mặt
trên chuỗi cách điện. Trong các trường hợp đó phải tiến hành các biện pháp
nhằm cải thiện sự phân bố đìện áp trền chuỗi cách điện.
1.2.2. Phóng điện bề mặt trên cách điện bị nhiễm bẩn và bị ướt
a) Ảnh hưởng của ô nhiễm tới phân bố điện áp [3]
Như phần trên đã phân tích trong trường hợp cách điện sạch thì phân bố
điện áp dọc theo chuỗi cách điện phụ thuộc vào điện dung của từng phần tử và
điện dung ký sinh. Nhưng khi cách điện bị nhiễm bẩn thì sự phân bố điện áp này
lại phụ thuộc rất nhiều vào mức độ ô nhiễm.
Thật vậy, xét một đoạn nhỏ trên chiều dài của cách điện ở bán kính r, có
một lớp dẫn điện trên bề mặt như hình vẽ:
Hình 1-7: Một phần cách điện bị nhiễm bẩn
11
Đồ án tốt nghiệp
Cách điện có hằng số điện môi ;
Lớp ô nhiễm có chiều dày d << r , và có điện dẫn suất khối là v ,
Có thể thay thế cho phần cách điện bị nhiễm bẩn này bằng một mạch điện
thay thế như sau:
Hình 1-8: Mạch điện thay thế
Trong mạch điện thay thế trên thì điện trở, R lớp ô nhiễm giữa mặt trên và
mặt dưới được tính như sau:
(1.1)
Với S =v.d là suất dẫn điện bề mặt
Và điện dung, C được tính là :
(1.2)
Ở tần số dòng điện là f thì dung kháng của tụ điện, Xc là :
(1.3)
Như vậy ta có tỷ lệ giữa Xc và R là :
(1.4)
Với các giá trị trung bình của cách điện đĩa ( r = 10 cm = 0,1m; S = 14,5
; ; ( : hằng số điện môi chân không ); f = 50 Hz (
12
Đồ án tốt nghiệp
tần số dòng điện công nghiệp). Ta thu được tỷ lệ là 1,74.10 4, điều này có nghĩa
là ở tần số 50 Hz thì điện trở của lớp ô nhiễm dẫn điện trên bề mặt của cách điện
luôn rất nhỏ so với dung kháng của cách điện đó, vì vậy sự phân bố điện áp dọc
bề mặt cách điện phụ thuộc rất nhiều vào mức độ dẫn điện của lớp ô nhiễm.
Như vậy khi cách điện bị nhiễm bẩn thì phân bố thế trên bề mặt của nó phụ
thuộc rất nhiều vào tình trạng ô nhiễm và ít bị ảnh hưởng của các loại điện dung
trên cách điện đó, độ ô nhiễm càng lớn, mức độ che phủ bề mặt cách điện của ô
nhiễm càng cao, và điện dẫn của lớp ô nhiễm càng lớn thì phân bố điện áp sẽ
thay đổi rất mạnh so với khi không bị ô nhiễm
b) Hiện tượng phóng điện bề mặt trên cách điện bẩn
Trong môi trường tự nhiên, cách điện vận hành trực tiếp chịu ảnh hưởng
bởi môi trường không khí như bụi than, muối, bụi đất, SO 2…, nó dần hình thành
một lớp nhiễm bẩn trên bề mặt cách điện. Nếu lớp bụi này khô ráo, nó có điện
trở rất cao và không gây ảnh hưởng đáng kể đến điện áp phóng điện, điện thế
phóng điện gần với điện thế phóng điện trong trạng thái khô, sạch.
Khi trời ẩm, có sương hoặc có mưa nhỏ… chất nhiễm bẩn trên bề mặt cách
điện hấp thụ nước làm cho chất điện phân trong lớp ô nhiễm phân rã và ion hóa,
làm tăng điện dẫn của lớp này hình thành lớp dẫn điện, lúc đó dòng rò trên bề
mặt cách điện tăng lên. Vì hình dạng, cấu trúc, kết cấu của cách điện khác nhau
cũng như sự phân bố của lớp bẩn trên bề mặt cách điện không đồng đều nên
điện trở của nó luôn thay đổi và mật độ dòng rò ở các vị trí khác nhau cũng thay
đổi. Dòng điện rò lớn đốt nóng bề mặt, sự phát nóng càng mãnh liệt tại những
chỗ mà điện trở trên đơn vị dài dọc theo đường phóng điện có trị số lớn. Ở
những nơi này mặt ngoài được sấy khô (hình thành vùng khô), điện trở tăng
đồng thời cũng sẽ chịu phần điện áp giáng lớn tạo điều kiện cho trường tăng cục
bộ. Khi điện cường độ điện trường đủ mạnh sẽ gây ra phóng điện cục bộ làm
cho dòng điện rò tổng tăng lên (chiều dài rò điện được rút ngắn vì những nơi có
phóng điện cục bộ coi như ngắn mạch).
13
Đồ án tốt nghiệp
Quá trình tiếp theo diễn biến tương tự, phần đoạn đường còn lại tiếp tục
được sấy khô và cũng xuất hiện phóng điện cục bộ. Khi tăng điện áp thì phóng
điện cục bộ xuất hiện càng nhiều và có thể xảy ra cùng một lúc tại nhiều chỗ
khác nhau trên bề mặt cách điện, và khi mà các vùng có phóng điện này được
nối liền với nhau thì sẽ dẫn đến phóng điện hoàn toàn. Quá trình phóng điện này
diễn ra tương đối chậm, không liên tục nên phụ thuộc vào thời gian tác động của
điện áp.
Khi mặt ngoài điện môi bị ướt (do mưa) thì phần trên của cách điện bị ướt,
phần dưới ít bị ướt hơn nên phải chịu phần điện áp giáng lớn có thể xảy ra
phóng điện trên bề mặt.
c) Các giá trị tới hạn để phát sinh phóng điện trên bề mặt cách điện bị
nhiễm bẩn (Vc; Ec; Ic; Sc)
Trong phần này ta đi tìm các giá trị: Điện áp phóng điện tới hạn V c; cường
độ điện trường tới hạn Ec; dòng điện rò tới hạn Ic; là các giá trị mà khi đạt tới nó
sẽ xuất hiện phóng điện bề mặt.
Obenaus [4] là người đầu tiên phân tích hiện tượng phóng điện trên bề mặt
cách điện bị ô nhiễm. Ông cho rằng chính sự tương tác lẫn nhau giữa tính chất
“điện trở âm” của hồ quang ( negative arc resistance ) của phóng điện
cục bộ và điện trở đặc trưng cho lớp bẩn đã làm cho điện áp phóng điện bề mặt
giảm thấp.
Hồ quang điện là một dạng phóng điện tự duy trì. Đặc tính “ điện trở âm”
là một tính chất quan trọng của hồ quang điện, nó có ý nghĩa là : “Trong khi
dòng điện hồ quang tăng lên thì điện áp của nó lại giảm đi ”.
Xét một lớp ô nhiễm dẫn điện trên cách điện có một vùng đã xảy ra phóng
điện hồ quang cục bộ. Bây giờ ta đi tìm điều kiện để xảy ra phóng điện trên
toàn miền ô nhiễm đó.
Sơ đồ mô tả hiện tượng như sau:
14
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-9: Mô hình phóng điện với nguồn điện một chiều
Điện áp hồ quang được tính theo công thức sau :
hay
(1.5)
Trong đó :
Vs : điện áp đặt lên cách điện
Va : điện áp hồ quang
A , a : là các hằng số hồ quang .
X : chiều dài vùng khô
Xa : chiều dài hồ quang
ka : hệ số chiều dài hồ quang 0 < ka < 1
L : chiều dài đường bò ( creepage length)
I : dòng điện rò (A).
Như vậy theo định luật KiếcHốp điện áp đặt lên toàn bộ mạch điện là
Vs = Va + R(X).I (1.6)
15
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-10: Mô hình mạch KiếcHốp thay thế
Với mối quan hệ giữa điện trở của lớp dẫn điện và chiều dài vùng khô
R(X) = rpu.( L – X ) (1.7)
rpu: giá trị điện trở trung bình trên một đơn vị chiều dài
Để minh họa cho điều kiện gây ra phóng điện bề mặt ta lấy một vài giá trị
các thông số cụ thể để tính toán như sau: L = 100 mm, r pu = 100 , A = 6.3
và a = 0,76; thay vào (1.7) (1.6) và (1.5) ta vẽ được các quan hệ như hình sau:
Khi chiều dài hồ quang X = 67 mm ta được quan hệ V-I theo phương trình
(1.6)
16
Đồ án tốt nghiệp
7000
6000
5000
V: Điện áp(V)
4000 Vs
rpu(L-X).I
3000 Va
V1
2000
1000
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
I: Dòng điện rò (A)
Hình 1-11a: Quan hệ V-I theo phương trình (1.6) ứng với X= 67 mm
Nhận xét: Hình 1-11a mối quan hệ Vs-I cho thấy luôn tồn tại một giá trị
điện áp nhỏ nhất là, V 1. Nếu điện áp nguồn Vs nhỏ hơn giá trị này thì không thể
tồn tại hồ quang.
Bây giờ ta thay đổi chiều dài của hồ quang (nếu xảy ra) lần lượt là (X=30,
50, 67, 90mm) ta vẽ được mối quan hệ giữa Vs và I khi X thay đổi như sau.
17
Đồ án tốt nghiệp
7000
6000
Vs: Điện áp nguồn (V)
5000 X=30
X=50
4000 X=67
X=90
3000
Vc
2000
1000
Ic
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
I: Dòng điện rò (A)
Hình 1-11b: Điện áp nguồn cần thiết ứng với chiều dài hồ quang thay
đổi
Hình 1-11b cho ta thấy các đường cong phụ thuộc giữa điện áp nguồn cần
thiết để tồn tại được hồ quang với dòng điện rò.
Nhận xét: V1 khác nhau với mỗi giá trị của X và đạt giá trị lớn nhất, gọi là
giá trị điện áp tới hạn V c, xuất hiện khi X = 30. Từ đó ta dễ nhận thấy nếu V s >
Vc thì hồ quang duy trì có thể tồn tại với mọi giá trị X, điều này có nghĩa là khi
hồ quang sẽ bắc cầu trong toàn bộ chiều dài cách điện đó chính là hiện tượng
phóng điện bề mặt.
Bây giờ ta đi tính các giá trị tới hạn này.
18
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-7: Mô hình cách điện hình trụ bị ô nhiễm
Giả sử
s : suất dẫn điện bề mặt ( S).
v : suất dẫn điên khối (đơn vị S/m)
d :chiều dày của lớp dẫn điện đó (đơn vị m) thì mối liên hệ giữa rpu và s
với mô hình đồng nhất hình trụ bán kính r là :
= (1.8)
đối với cách điện thực tế thì :
(1.9)
với F: là hệ số hình dạng .
và r(s) là bán kính tại vị trí s trên chiều dài cùa cách điện .
Bây giờ ta thay (1.9) (1.7) và (1.5) vào (1.6) ta có:
(1.10)
Phân tích mối quan hệ giữa V, I , X và thấy rằng I và X tăng nhanh
mãnh liệt khi điều kiện tới hạn sau được thoả mãn.:
(1.11)
(1.12)
Sc : là suất chiều dài đường bò ( mm/kV )
Khi phân tích điều kiện để xảy ra phóng điện Alston[ [4]đã chỉ ra cường độ
điện trường tới hạn để có thể xảy ra phóng điện là :
(1.13)
Trong đó :
và Vc là giá trị điện áp nguồn tới hạn để xảy ra phóng điện
19
Đồ án tốt nghiệp
Giá trị này xuất hiện khi hồ quang có chiều dài là
Xc = (1.14)
tương ứng với dòng điện tới hạn là :
(1.15)
Các hằng số hồ quang tính được bằng thực nghiệm A = 6,3 và a = 0,76
Từ đó ta có :
(1.16)
Theo IEC Guide[IEC1986] tuỳ thuộc vào mức độ ô nhiễm mà giá trị của
giá trị này thay đổi
Bảng 1-3: Cường độ điện trường tới hạn để có thể xảy ra phóng điện[4]
Mật độ muối
Suất chiều dài Cường độ điện
(mg/cm2)
Cấp độ ô nhiễm đường bò nhỏ trường tới hạn, Ec
Theo tiêu chuẩn
nhất, Sc (mm/kV) (kV/m)
IEC - 60815
I (Nhẹ) 16 36
II (Trung
0,06 - 0,1 20 29
bình)
III (Nặng) 0,1- 0,25 25 23
IV ( Rất nặng) >0,25 – 0,35 31 19
Kết luận : Qua sự phân tích ở trên ta thấy rằng lớp ô nhiễm trên bề mặt
của cách điện có ảnh hưởng rất lớn tới cách điện của đường dây. Ở điều kiện áp
suất tiêu chuẩn cường độ điện trường để xảy ra phóng điện chọc thủng của
không khí trong điều kiện trường đồng nhất khoảng 3kV/mm. Còn khi trường
không đồng nhất giá trị này chỉ còn khoảng 1kV/mm. Khi cách điện bị ô nhiễm
điện trường trên bề mặt cách điện trở lên rất không đồng nhất tại một số vùng.
20