Đánh giá tính năng của các cột cách điện trong trạm biến áp bằng cách sử dụng mô hình hóa máy tính

04/05/2024 05:28 Số lượt xem: 777

---

Cột cách điện trong trạm biến áp (Ảnh st)

Các cột cách điện trong trạm biến áp thường dễ bị tổn thương hơn do phóng điện bề mặt trong điều kiện ướt và nhiễm bẩn so với các vật cách điện trạm biến áp khác, đặc biệt là ở những điện áp cao hơn. Do đó, hai giải pháp thay thế thường được sử dụng để cải thiện tính năng chống nhiễm bẩn, đó là tăng dòng rò bằng các cột cao hơn, các thiết kế xiêm có gờ hoặc các xiêm tăng cường, hoặc bằng cách phủ bằng vật liệu kỵ nước như silicone RTV (lưu hóa ở nhiệt độ phòng).

Bài viết này sử dụng các tính toán trường điện 3-D để mô hình hóa tính năng chống nhiễm bẩn so sánh của các cột sứ cách điện trạm biến áp trong các hệ thống điện áp xoay chiều tới 1200kV. Nghiên cứu đã hé lộ rằng đối với các cột được sử dụng trong các hệ thống điện áp trên 500kV, việc phủ sứ bằng silicon RTV hoặc thay thế chúng bằng các thiết kế composite đã mang lại khả năng bảo vệ tốt hơn chống lại các phóng điện bề mặt khởi đầu trong các điều kiện nhiễm bẩn. Ở các điện áp thấp hơn, việc tăng dòng rò và phủ một lớp phủ RTV dường như cũng có hiệu quả tương đương.

Mặc dù các vật cách điện thiết bị đang ngày càng chuyển sang các thiết kế composite với vỏ silicon, sứ vẫn là vật cách điện chiếm ưu thế được sử dụng cho các cột đỡ thanh cái và cột dao cắt. Điều đó có nghĩa là các vật cách điện này phải có khả năng chịu được môi trường ô nhiễm điển hình tại các trạm biến áp. Ví dụ, các tháp làm mát tại các nhà máy điện hạt nhân và các nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch sử dụng tuabin hơi và nước thường được xử lý bằng các hóa chất để ngăn chặn tảo phát triển và cải thiện các đặc tính truyền nhiệt. Độ dẫn điện của nước đã qua xử lý này tương đối cao và, bất cứ khi nào các tháp làm mát không được bảo trì đúng cách, nước đã qua xử lý này sẽ được giải phóng cùng với các hơi khác. Tùy thuộc vào điều kiện gió, các vật cách điện trong sân phân phối có thể phơi nhiễm tia nước có độ dẫn điện cao. Bụi than cũng là một chất gây ô nhiễm phổ biến khác.

Hình 1: Hình vẽ đơn giản các cột cách điện được sử dụng ở các điện áp (a) 69kV, (b) 115-230kV, (c) 345-500kV, (d) 765kV và các điện áp hệ thống điện cao hơn (Ảnh st)

Trong trường hợp các thiết bị điện như máy biến áp, máy cắt và thiết bị chống sét, trường điện được kiểm soát bằng các vòng chống phóng điện vầng quang bên ngoài hoặc san bằng điện dung bên trong. Tuy nhiên, chúng không có trong các cột cách điện trạm biến áp, những cột này được chế tạo ở dạng nhiều phân đoạn (thường từ một đến bốn phân đoạn tùy thuộc vào điện áp) với các kết nối trung gian. Với phần cứng tối thiểu giữa các cột sứ tách rời này, sự phân bố điện áp thường phi tuyến hơn so với trên một chuỗi cách điện treo tương đương và sự tập trung trường điện tổng có thể làm phát sinh phóng điện vầng quang trong các điều kiện khô ráo. Hơn nữa, khoảng cách giữa các xiêm nhỏ (thường là 5-8cm) có thể dễ dàng bị nối tắt bởi các giọt nước hoặc các hồ quang, có nghĩa là các phóng điện bề mặt trong điều kiện ướt và bị nhiễm bẩn có thể nhanh chóng dẫn đến phóng điện bề mặt (xem Hình 2).

Hình 2: Các phóng điện dải khô vắt qua nhiều xiêm trên cột đỡ dao cắt 345kV bố trí gần bờ biển (Ảnh st)

Chìa khóa để cải thiện tính năng chống nhiễm bẩn trong các trường hợp như vậy nằm ở việc giảm thiểu dòng rò. Điều này đạt được bằng các biện pháp như làm sạch định kỳ hoặc bằng cách tăng chiều dài đường rò bằng cách sử dụng các cột cao hơn, các thiết kế xiêm có gờ hoặc đường kính lớn nhỏ xen kẽ và thậm chí cả các bộ kéo dài đường rò bằng polyme. Sử dụng sứ tráng men bán dẫn (hoặc điện trở) là một cách khác để chống lại các vấn đề ô nhiễm và dựa vào sự kết hợp giữa phân bố điện áp tuyến tính và bề mặt được gia nhiệt để ngăn chặn hoạt động phóng điện. Mặc dù tất cả các phương pháp này đều thành công ở những mức độ khác nhau nhưng việc thay thế các vật cách điện với các biên dạng xiêm cải tiến hoặc với các vật cách điện tráng men điện trở là không thực tế cũng như không kinh tế nếu như trạm biến áp đã đi vào hoạt động. Trong những trường hợp như vậy, việc cải thiện tính năng chống nhiễm bẩn của các vật cách điện bằng gốm thường đạt được bằng cách phủ chúng bằng vật liệu kỵ nước như mỡ hoặc lớp phủ silicon lưu hóa ở nhiệt độ phòng (RTV). Mặc dù các lớp phủ này có thể được áp dụng trong các điều kiện đang mang điện, nhưng tốt hơn và thường hiệu quả hơn khi áp dụng chúng trong điều kiện không mang điện. Hơn nữa, bất cứ khi nào có thể, việc này nên được thực hiện trong nhà tốt hơn so với ngoài hiện trường.

Trường điện ở gốc hồ quang đóng vai trò quan trọng trong quá trình phóng điện bề mặt và phóng điện hồ quang là mạnh hơn về phía điện cực mang điện. Khi kết hợp với các bề mặt ướt ở đầu này, phóng điện tia hồ quang và các giọt nước nhỏ có thể nối tắt các xiêm dẫn đến phóng điện bề mặt - ngay cả khi bề mặt cách xa đầu mang điện không bị ướt hoàn toàn. Đối với các vật liệu trơ như sứ, điện áp phóng điện bề mặt thể hiện mối quan hệ tuyến tính với chiều dài đường rò. Tuy nhiên, vì mối quan hệ giữa trường điện và dòng điện hồ quang là phi tuyến nên có thể đạt được lợi ích lớn hơn nếu như trường điện ở các gốc hồ quang bằng cách nào đó được giảm xuống.

Với sức mạnh tính toán có sẵn hiện nay, phân tích trường điện bằng số có thể cung cấp thông tin chi tiết có giá trị về tính năng của các vật cách điện và các thiết bị tương tự khác. Dự án nghiên cứu này đã sử dụng gói phần mềm Coulomb dựa trên Phương pháp phần tử biên (BEM) và độ chính xác mô phỏng của nó phụ thuộc vào số lượng, hình dạng và sự phân bố của các phần tử biên được sử dụng. Hình 3 cho thấy các phần tử biên hình tam giác (được chọn vì chúng mang lại độ chính xác cao hơn các hình dạng khác) để mô hình hóa một cột sứ trong các điều kiện khô và ướt. Đối với trường hợp khô, toàn bộ bề mặt được chia thành các phần tử có kích thước bằng nhau.

Hình 3: Các phần tử biên dọc theo một phân đoạn cột cách điện trong (a) các điều kiện khô (b) các điều kiện ướt (c) các trục tọa độ tính bằng Culông (Ảnh st)

Giả định rằng chỉ các bề mặt phía trên bị phơi nhiễm của xiêm sứ bị ướt, trong khi bề mặt phía bên dưới được bảo vệ vẫn khô ráo. Giả định này dựa trên các thí nghiệm và kinh nghiệm hiện trường chứng minh sự kết hợp giữa các bề mặt khô và ướt này thể hiện kịch bản xấu nhất về ô nhiễm so với các vật cách điện bị ướt đồng đều. Người ta cũng đã giả định rằng mẫu hình ướt là đối xứng trục, nghĩa là chỉ cần mô hình hóa một đoạn bề mặt là đủ. Khi đó, các số lượng phần tử lớn hơn được sử dụng để mô phỏng các bề mặt ướt khi so sánh với trường hợp khô (thường nhiều hơn gấp 3 lần). Chiều dày của màng nước trên bề mặt phía trên của các xiêm được giả định là 1mm, được coi là hợp lý vì ở hầu hết các vị trí ngoài trời đều có màng bụi bao phủ bề mặt phía trên.

Mô hình hoá các vật cách điện

Chi tiết về kích thước của các cột sứ khác nhau được lấy từ danh mục của nhà chế tạo cũng như từ đầu vào của các công ty điện lực (xem Bảng 1). Sau đó, trường điện được tính dọc theo đường thẳng nối các đầu của mỗi xiêm. Đối với các cột sứ trạm biến áp nhiều đoạn được sử dụng ở các điện áp cao hơn, chỉ có trường điện dọc theo phân đoạn trên cùng được vẽ bởi vì trường điện trong các phân đoạn dưới là tương đối nhỏ.

Bảng 1: Kích thước cột sứ trạm (Ảnh st)

Trường điện trong các điều kiện khô

Các đồ thị trường điện thể hiện dưới đây được tính toán dọc theo đường nối đầu của mỗi xiêm. Trong các hình này, trục hoành được biểu thị bằng đơn vị khoảng cách phóng điện hồ quang khô tương đối, bắt đầu từ điểm cuối của đường dây. Hình 4 thể hiện sự biến thiên của trường điện trong điều kiện khô đối với các điện áp khác nhau. Giá trị 15kV_{hiệu dụng}/cm được coi là ngưỡng thông thường để khởi đầu phóng điện vầng quang. Có thể thấy rằng đối với các điện áp hệ thống từ 500kV trở xuống, trường điện cao nhất này thấp hơn giá trị ngưỡng và do đó không cần có biện pháp đặc biệt nào để giảm thiểu phóng điện vầng quang. Tuy nhiên, đối với các hệ thống truyền tải có các điện áp lớn hơn 500kV, nhất thiết phải có thiết bị giảm thiểu phóng điện vầng quang ví dụ như vòng san bằng điện áp để giảm thiểu tiếng ồn nghe thấy được và RIF (tần số radio). Mặc dù sứ thường miễn nhiễm với hư hại do phóng điện vầng quang, nhưng nếu sử dụng các vật cách điện composite thì cần có các thiết bị ngăn chặn phóng điện vầng quang để bảo vệ lớp vỏ của chúng khỏi bị hư hại.

Hình 4: Phân bố trường điện dọc theo chiều dài cột cách điện trạm biến áp trong điều kiện khô (Ảnh st)

Trường điện trong các điều kiện ướt

Làm ướt phần phơi nhiễm bên trên của một vật cách điện dễ hơn so với bề mặt bên dưới được bảo vệ. Do đó, màng nước được coi là ở bề mặt phía trên của mỗi xiêm trong khi phần dưới được giả định là khô. Độ dẫn điện của nước được thay đổi từ 20 đến 4000µS/cm – giá trị thấp hơn là điển hình của mưa trong khi giá trị cao hơn tương ứng với cửa lấy nước của tháp làm mát. Điện trường tăng đột biến tại các kết nối điểm ba của màng nước, sứ và không khí xung quanh. Điện trường cần thiết để khởi động các bộ tạo dòng thay đổi từ 4,5 đến 11kV/cm, giá trị thấp hơn cho cực dương và giá trị cao hơn cho cực tính âm. Giá trị 8kV/cm được coi là ngưỡng và được thể hiện trong tất cả các hình vẽ.

Hình 5: Phân bố trường điện dọc theo các vật cách điện cột sứ 230kV trong điều kiện ướt (Ảnh st)

Như có thể thấy từ các Hình 5 và 6, cường độ trường điện tăng theo điện áp hệ thống. Ngoài ra, khi điện áp hệ thống trở nên lớn hơn, khu vực nơi mà trường điện cao hơn ngưỡng tạo dòng mở rộng ra xa hơn từ điện cực cuối đường dây. Bảng 2 cho thấy các phóng điện có thể dễ dàng xảy ra và lan truyền trong điều kiện ướt. Việc chúng có dẫn đến phóng điện bề mặt hay không phụ thuộc vào điện trở của phần không nối tắt của vật cách điện mắc nối tiếp với hồ quang. Do đó, một cách chắc chắn để ngăn ngừa hiện tượng phóng điện bề mặt do ô nhiễm là đảm bảo rằng vùng gần điện cực mang điện (nơi trường điện vượt quá ngưỡng tạo dòng) được làm càng nhỏ càng tốt.

Hình 6: Phân bố trường điện dọc theo các vật cách điện cột sứ trạm biến áp 765kV trong điều kiện ướt (Ảnh st)

Bảng 2: Khoảng cách từ đầu đường dây nơi trường điện vượt quá ngưỡng dòng điện trong điều kiện ướt (Ảnh st)

So sánh các phương pháp giảm thiểu phóng điện bề mặt thay thế

a. Sử dụng cột cao hơn

Cấp cách điện xung cơ bản (BIL) đối với cùng các điện áp hệ thống có thể khác nhau giữa các công ty điện lực. Bảng 3 liệt kê ba đoạn cột cách điện trạm biến áp có điện áp danh định 230kV với chiều dài khác nhau cho các BIL khác nhau. Có thể thấy rằng việc tăng khoảng cách (hoặc chiều cao) phóng điện hồ quang khô chỉ có tác động tối thiểu đến việc giảm trường điện trung bình. Do đó, để đạt được mức giảm trường điện có ý nghĩa, chiều cao của một vật cách điện cần phải tăng lên hơn nhiều. Việc sử dụng các cột cao hơn sẽ gây ra các vấn đề liên quan đến phối hợp cách điện và phát sinh thêm chi phí để đáp ứng chiều cao thanh cái tăng cao. Vì lý do này, các phương pháp khác để cải thiện tính năng chống nhiễm bẩn được ưu tiên hơn.

Bảng 3: Trường điện cực đại dọc theo các vật cách điện 230kV có các BIL khác nhau (Ảnh st)

b. Sử dụng các biên dạng xiêm khác nhau

Các cột cách điện có gờ bên dưới giúp tăng đường rò đã được đánh giá và so sánh với một biên dạng không có các gờ bên dưới (Hình 7). Chiều dài đường rò bổ sung cao hơn khoảng 10% so với các phân đoạn tiêu chuẩn.

Hình 7: (a) Biên dạng xiêm tiêu chuẩn (b) Biên dạng xiêm có gờ với chiều dài đường rò tăng cao (Ảnh st)

Hình 8: Trường điện dọc theo vật cách điện 135kV ướt có độ dẫn điện của nước là 4000µS/cm (Ảnh st)

Hình 8 thể hiện trường điện đối với các cột cách điện 138kV. Có thể thấy rằng các phân đoạn chiều dài đường rò tăng cao giúp giảm đáng kể cường độ trường điện so với cách điện có chiều dài đường rò tiêu chuẩn. Ngoài ra, chúng còn giảm từ 65% đến 40% vùng mà trường điện vượt quá ngưỡng của bộ tạo dòng từ đầu mang điện. Hình 9 cho thấy những kết quả tương tự đối với các vật cách điện 500kV. Có thể thấy rằng khi so sánh với các thiết bị có điện áp danh định 138kV, các thiết bị có chiều dài đường rò tiêu chuẩn và các thiết bị có chiều dài đường rò tăng cao cho thấy mức giảm nhỏ hơn về cường độ trường điện cũng như trong khu vực tính từ đầu đường dây nơi mà trường điện vượt quá ngưỡng dòng điện. Như vậy, người ta có thể kết luận rằng đối với các điện áp hệ thống siêu cao áp (EHV) và trên siêu cao áp (UHV), chỉ tăng chiều dài đường rò có thể không đủ để đạt được sự cải thiện mong muốn về tính năng chống nhiễm bẩn.

Hình 9: Điện trường dọc theo vật cách điện ướt 500kV có độ dẫn điện của nước là 4000µS/cm (Ảnh st)

c. Sử dụng các lớp phủ kỵ nước hoặc các vật cách điện silicon

Có thể khiến cho bề mặt của sứ vốn có thể bị ướt trở thành kỵ nước bằng cách bôi các vật liệu như mỡ hoặc bọc lớp phủ cao su silicon lưu hóa ở nhiệt độ phòng (RTV). Các hạt nước đọng lại trên các bề mặt như vậy tạo ra điện trở rất cao trong điều kiện ướt so với bề mặt không được phủ và điều này giúp giảm thiểu hoặc thậm chí loại bỏ dòng rò. Mẫu vật cách điện được mô hình hóa dưới dạng một thanh hình trụ (Hình 10) có chiều cao bằng khoảng cách hồ quang khô và đường kính bằng đường kính trung bình của xiêm và đường kính thân. Chiều dày của lớp phủ được sử dụng là 0,5mm, một giá trị thường được các nhà chế tạo lớp phủ khuyến nghị. Mỗi giọt nước cần có 20 phần tử biên và có tổng cộng có 36 giọt nước phân bố đều dọc theo chu vi. Số lượng và sự phân bố của các giọt nước là đủ để minh họa vai trò quan trọng của tính kỵ nước và đánh giá tác động của nó đối với sự phân bố điện trường trên bề mặt.

Hình 10: (a) Sử dụng sơ đồ mô hình hoá để thể hiện sứ được phủ lớp vật liệu kỵ nước (b) sự phân bố các giọt nước nhìn từ trên xuống (Ảnh st)

Đồ thị phân bố trường điện đối với các vật cách điện 765kV được thể hiện trên Hình 11. Có thể thấy rằng trường điện vượt quá ngưỡng tạo dòng trong 10% tổng chiều dài của vật cách điện. Bảng 4 thể hiện tỷ lệ phần trăm của chiều dài mà trường điện vượt quá ngưỡng tạo dòng đã được tính toán cho các vật cách điện ở các điện áp danh định khác. Có thể thấy rằng giá trị tới hạn này trong trường hợp các vật cách điện được phủ vật liệu kỵ nước thấp hơn nhiều so với các vật cách điện không được phủ (so sánh với Bảng 3). Do đó, mặc dù các xiêm gần đầu điện áp cao có thể bị nối tắt bởi các giọt nước hoặc tia hồ quang, nhưng tia hồ quang không đủ dài để gây ra phóng điện bề mặt.

Dựa trên những phát hiện này, có vẻ như rõ ràng rằng việc phủ các cột sứ trạm EHV và UHV ở các khu vực bị nhiễm bẩn bằng vật liệu kỵ nước mang lại sự cải thiện tính năng vượt trội so với các phương pháp khác. Tất nhiên, khi lớp phủ bị lão hoá, hình mẫu ướt có thể thay đổi và theo đó là sự phân bố trường điện bề mặt. Phương pháp phân loại STRI là một chỉ báo khá tốt về những thay đổi đó theo thời gian. Trong trường hợp xấu nhất, một khi toàn bộ bề mặt được phủ bị ướt hoàn toàn, về cơ bản nó sẽ giống như sứ không phủ và sẽ cần phải phủ lại. Tuy nhiên, nếu lớp phủ được áp dụng đúng cách, nó sẽ mang lại tính năng được cải thiện trong nhiều năm. Hơn nữa, nếu các vật cách điện composite vỏ silicon được chỉ định cho các ứng dụng như vậy (giả sử chúng có thể đáp ứng các yêu cầu cơ học), thì chúng cần mang lại hiệu quả chống nhiễm bẩn vượt trội nhờ tính kỵ nước lâu dài vốn có.

Hình 11: Điện trường dọc theo vật cách điện sứ 765kV phủ vật liệu kỵ nước (Ảnh st)

Bảng 4: % chiều dài mà trường điện vượt quá ngưỡng tạo dòng đối với các vật cách điện sứ có lớp phủ kỵ nước (Ảnh st)

So sánh các Hình 6 và 11 đối với các vật cách điện có bề mặt có thể làm ướt và kỵ nước, kết quả là trường điện trong trường hợp sau được giảm xuống đáng kể. Do đó, lợi ích trước mắt là trong điều kiện ẩm ướt, phóng điện vầng quang và những phiền toái liên quan như tiếng ồn nghe được, nhiễu sóng radio & tivi cũng như sản sinh khí ozone sẽ giảm xuống đáng kể so với các vật cách điện sứ thông thường. Các vật cách điện composite giờ đây có sẵn trên thị trường với điện áp lên đến 1000kV cũng có thể đặc biệt hấp dẫn đối với các thiết bị trong trạm biến áp, đặc biệt là ở các điện áp cao hơn do bản chất không giòn và các dạng hư hại tương đối an toàn của chúng.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “inmr”, tháng 2/2024