Mô hình hóa trường điện trên các trụ điện truyền tải

Mô phỏng trường điện bằng bộ giải trường tĩnh điện 3D COULOMB (Ảnh st)

Hầu hết các ứng dụng truyền tải đều yêu cầu xác minh các trường điện, nếu vượt quá một số ngưỡng nhất định, có thể gây ra phóng điện vầng quang, đánh thủng điện môi và nhiễu điện từ. Vì các vật cách điện gắn liền với các cấu trúc dẫn điện phức tạp nên việc ước tính cường độ trường điện tại các điểm đã chọn dọc theo các chuỗi cách điện, các vòng phóng điện vầng quang (*) và các khoảng liền kề bao quanh chúng đòi hỏi phải mô phỏng toàn bộ trụ điện cùng với các dây dẫn. Bài viết đã được biên tập này minh họa cách mô hình hóa đó đã được áp dụng ra sao cho một trụ truyền tải điện 115kV 3 pha, bằng cách sử dụng bộ giải trường tĩnh điện 3D COULOMB.

Hình dạng và kích thước mô hình

Hình 1a mô tả một trụ điện truyền tải, được nhập từ tệp STEP (định dạng trung gian giúp người thiết kế trao đổi mô hình CAD), cao khoảng 30m và đỡ các Pha A, B và C cũng như dây chống sét. Các dây dẫn có đường kính khoảng 2,5mm và dây chống sét có đường kính khoảng 12,5mm, và chúng được mô hình hóa cho chiều dài khoảng 5m. Hình 1b cho thấy dây dẫn được mắc vào vật cách điện treo và vòng phóng điện vầng quang của nó. Toàn bộ mô hình đối xứng qua mặt phẳng X = 0. Các Hình 2a và 2b lần lượt thể hiện mô hình thiết lập tính đối xứng và mô hình không đối xứng. Mô hình đối xứng được sử dụng trong ví dụ này.

Hình 1: (a) Trụ truyền tải; (b) Dây dẫn được mắc vào vật cách điện (Ảnh st)

Hình 2: (a) mô hình thiết lập tính đối xứng (một nửa); (b) mô hình không thiết lập tính đối xứng (đầy đủ) (Ảnh st)

Các điều kiện Vật liệu & Biên điện áp

Trụ điện và các dây dẫn được làm bằng nhôm và dây chống sét được làm bằng thép (tuyến tính). Loại vật cách điện được sử dụng ở đây có các xiêm làm bằng cao su silicon được liên kết với một thanh sợi thủy tinh (FRP). Vòng phóng điện vầng quang và đồ gá được làm bằng đồng. Hằng số điện môi của tất cả các vật liệu này được tính toán ở tần số công nghiệp là 60Hz. Dây chống sét và trụ điện ở mức 0V trong khi các dây dẫn, cùng với các cấu trúc vòng vầng quang của chúng, được ấn định 115kV ở các góc pha 0°, 120° và -120° tính từ đỉnh.

Tạo lưới

Vì mô hình này bao gồm một không gian rộng mở bao quanh thiết bị nên các vấn đề liên quan đến các vùng mở như vậy được xử lý tốt nhất bằng Phương pháp phần tử biên (BEM), trong đó chỉ các vùng “hoạt động” mới yêu cầu sự rời rạc hóa. Các trường có thể được tính toán ở bất kỳ đâu trong không gian 3D và điều này cho phép mô hình hóa độ cong hình học thực sự thay vì chỉ xấp xỉ theo đường thẳng. Các mô hình có các lớp mỏng và các tỷ lệ khung hình cực đoan được xử lý dễ dàng hơn.

Bằng cách sử dụng công thức BEM, các điện tích tương đương hỗ trợ các điều kiện biên quy định sẽ được xác định. Từ đó, các điện tích tương đương, điện thế và trường điện được tính toán bằng phép tích phân phù hợp, san phẳng sai số rời rạc một cách hiệu quả. BEM chính xác hơn và nhanh hơn so với công thức dựa trên Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Các Hình 3a và 3b mô tả các chế độ xem toàn cảnh và cục bộ của lưới tam giác 2D.

Hình 3a: Chế độ xem toàn cảnh của lưới tam giác 2D (Ảnh st)

Hình 3b: Chế độ xem cục bộ của lưới tam giác 2D (Ảnh st)

Vì tất cả các vật liệu đều tuyến tính nên bộ giải BEM chỉ cần giải các ẩn số ở các biên và chỉ yêu cầu lưới tam giác 2D trên tất cả các bề mặt. Các phần tử có thể được gán tự động trong toàn bộ mô hình và mật độ lưới cục bộ có thể được tinh chỉnh thủ công khi cần kết quả chính xác.

Mô hình này chứa khoảng 101.000 phần tử tam giác 2D và yêu cầu RAM tối ưu khoảng 14GB. Nếu không có các điều kiện đối xứng, mô hình sẽ cần khoảng 183.000 phần tử 2D và một RAM khoảng 48GB, tức là yêu cầu bộ nhớ tăng gấp 4 lần và thời gian tính toán tăng đáng kể. Do đó, tính đối xứng về bất kỳ mặt phẳng chính nào cũng nên được sử dụng để cho phép mô phỏng nhanh hơn.

Các thiết đặt Vật lý & Bộ giải

Hình 4a: Thiết đặt vật lý (Ảnh st)

Hình 4b: Thiết đặt bộ giải (Ảnh st)

Hình 4a thể hiện các thiết đặt vật lý. Loại bộ giải được thiết đặt thành các “Trường”. Hoạt động ở một tần số duy nhất là 60Hz. Cân bằng điện tích bị tắt. Ở chế độ cân bằng, bộ giải sẽ buộc tổng điện tích trong mô hình cộng lại phải bằng 0. Trong chế độ này, cần phải đặt điện thế tham chiếu ở đâu đó. Ở chế độ không cân bằng, môi trường xung quanh mô hình sẽ giữ bất kỳ điện tích dư thừa nào được yêu cầu và điện thế ở vô cực sẽ bằng 0, không yêu cầu tham chiếu điện thế. Chỉ các nguồn không nối đất, chẳng hạn như acqui, mới yêu cầu điện tích phải được cân bằng trong mô hình.

Hình 4b cung cấp các thiết đặt của bộ giải. Trong việc thiết đặt bộ giải, BEM là phương pháp giải. Loại bộ giải ma trận có thể được đặt “Trực tiếp”, “Lặp lại” hoặc “Tự động”. Ở chế độ tự động, COULOMB tự động xác định bộ giải tốt nhất mà không cần sự tương tác của người dùng. Bộ giải trực tiếp mạnh mẽ nhưng đòi hỏi nhiều thời gian hơn bộ giải lặp lại. Việc tạo lưới có thể được thực hiện thủ công hoặc tự thích ứng. Trong trường hợp cụ thể này, mô hình này được tạo lưới thủ công để có kết quả cục bộ tốt hơn.

Xử lý hậu kỳ & Các kết quả

Hình 5a: Trường điện không có vòng phóng điện vầng quang (Ảnh st)

Có thể thấy, vòng phóng điện vầng quang làm giảm gradient điện thế và giảm giá trị trường điện cực đại xuống dưới ngưỡng khởi đầu phóng điện vầng quang. Các Hình 5a và 5b thể hiện một sự so sánh của trường điện gần đáy của một vật cách điện khi có và không có vòng phóng điện vầng quang. Trường tổng này ở góc thời gian 0° hướng xuống dưới. Như có thể quan sát, trường tối đa đã được giảm từ khoảng 1,05kV/mm xuống còn 0,41kV/mm bằng cách sử dụng vòng phóng điện vầng quang.

Hình 5b: Trường điện có vòng phóng điện vầng quang (Ảnh st)

Hình 6: Trường điện trên vòng phóng điện vầng quang (Ảnh st)

Hình 7a: Các đường đồng mức ở 0°	Hình 7b: Các đường đồng mức ở góc 90°	Hình 7c: Các đường đồng mức ở góc 180°

Các Hình 7a, 7b và 7c vẽ các đường đồng mức điện thế trên mặt phẳng đi qua phần giữa của vật cách điện đỉnh theo các góc thời gian 0°, 90° và 180°. Ban đầu, điện thế cực đại gần dây dẫn bằng giá trị đỉnh của điện áp đường dây dưới dạng hàm cosin, là căn bậc hai của 2 x 115kV tức là 162,6kV. Ở 90°, điện thế cực đại là 0kV và ở 180° là -162,6kV. Hình 8 cho thấy các đường đồng mức điện thế của cả ba dây dẫn trên mặt phẳng X = 0.

Hình 8: Các đường đồng mức điện thế của cả ba dây dẫn trên mặt phẳng X = 0 (Ảnh st)

Để xác minh mô phỏng này, trường điện tiếp tuyến giữa các điểm a và b có thể được vẽ và tính tích phân, giá trị này phải bằng hiệu điện thế giữa hai điểm đó.

Hình 9a cho thấy một tia hồ quang được vẽ từ một điểm trên dây dẫn phía trên đến một điểm trên trụ điện. Trong hình 9b, đồ thị của trường điện tiếp tuyến được vẽ và tính tích phân dọc theo đoạn này. Tích phân này bằng 162kV, là hiệu điện thế giữa hai điểm ở góc thời gian 0°.

Hình 9a: Đoạn tích phân đường dây (Ảnh st)

Hình 9b: Đồ thị tích phân (Ảnh st)

Giá trị của trường điện xung quanh đường dây phải thấp hơn giới hạn tối đa cho phép để đảm bảo an toàn cho nhân viên và người dân. COULOMB có thể mô phỏng các yêu cầu này một cách hiệu quả. Đối với từ trường, mô hình tương tự có thể được mô phỏng bằng bộ giải trường từ tĩnh điện 3D AMPERES. Trong trường hợp này, sự kích thích phải là giá trị hiệu dụng (RMS) của dòng điện chạy qua các dây dẫn.

(*) Trong bài báo này, thay “corona rings“ (các vòng phóng điện vầng quang) bằng “anti-corona rings’ (các vòng chống phóng điện hồ quang) thì sẽ hợp lý hơn.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “inmr”, tháng 1/2024