Đăng ký thành viên

Tối ưu hóa thiết kế cách điện cho các đường dây có độ cao trên 1.000m so với mực nước biển

Thiết kế các hệ thống truyền tải và phân phối phải tính đến những thay đổi cơ bản về tính năng cách điện liên quan đến độ cao (Ảnh st)

Các đường dây truyền tải nhiều khi đi ngang qua các dãy núi hoặc cao nguyên nằm ở độ cao ít nhất 1.000m so với mực nước biển. Trong những trường hợp như vậy, thiết kế các hệ thống truyền tải và phân phối phải tính đến những thay đổi cơ bản về tính năng cách điện liên quan đến độ cao.

Bài viết thảo luận về chủ đề này và xem xét lại các nghiên cứu tiến hành tại Trung Quốc.

Các khu vực có áp suất không khí thấp và không khí loãng ảnh hưởng đến hoạt động của đường dây điện vì điện áp giảm theo độ cao, cho dù là điện áp phóng điện khe hở không khí, điện áp khởi phát phóng điện vầng quang hay điện áp phóng điện bề mặt do ô nhiễm. Hơn nữa, về mặt tính năng của các vật cách điện đường dây hoặc bất kỳ chất cách điện điện áp cao nào, độ cao càng lớn thì vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng hơn. Người ta đều biết rằng khi độ cao tăng, những thay đổi về áp suất không khí, nhiệt độ và độ ẩm đều sẽ tác động đến điện áp phóng điện. Tuy nhiên, xét về mặt ảnh hưởng, chính sự thay đổi áp suất không khí mới là yếu tố quan trọng nhất cũng như ổn định nhất trong số các biến số này.

Khi đánh giá tính năng của vật cách điện, điện áp phóng điện bề mặt do ô nhiễm xuất hiện khi độ ẩm xung quanh vật thử nghiệm đạt đến trạng thái bão hòa. Do đó, có thể bỏ qua ảnh hưởng của độ ẩm khí quyển. Tương tự như vậy, tính đều đặn của sự thay đổi nhiệt độ khi độ cao tăng không phải lúc nào cũng rõ ràng. Thử nghiệm phóng điện bề mặt do ô nhiễm thường thực hiện trong buồng sương mù, nơi nhiệt độ thường khác với nhiệt độ môi trường xung quanh. Việc tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ lên phóng điện bề mặt ô nhiễm của các vật cách điện tương đối phức tạp và vẫn là chủ đề gây tranh cãi. Thật vậy, hiện tại khi nói đến điện áp phóng điện bề mặt ô nhiễm của vật cách điện, không thể áp dụng hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ nào.

Với những vấn đề nêu trên, nghiên cứu hiện tại về cách độ cao tác động đến tính năng của vật cách điện có xu hướng tập trung vào ảnh hưởng của áp suất không khí chứ không phải độ ẩm hoặc nhiệt độ. Mối tương quan giữa độ cao và tham số này thể hiện trong Bảng 1 bên dưới (thu thập từ các phép đo thực tế).

(mmHg^*₎ =133,3224Pa

Bảng 1: Những thay đổi về áp suất không khí và mật độ tương đối theo độ cao

Các chuyên gia từ nhiều quốc gia đã nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất không khí lên điện áp phóng điện bề mặt ô nhiễm vật cách điện và đề xuất rằng có thể thể hiện hiệu chỉnh áp suất không khí bằng một công thức. Trong đó, tham số n, phản ánh giá trị hiệu chỉnh áp suất không khí, thu thập bằng cách thử nghiệm. Hầu hết các chuyên gia đều đồng ý với giá trị n là 0,5 đối với thiết kế vật cách điện bình thường và 0,6 đối với thiết kế chống ô nhiễm dưới điện áp xoay chiều (AC) hoặc 0,35 trong trường hợp điện một chiều (DC).

U(p)=U(p₀ )(p/P₀ )ⁿ

Ngay từ năm 1980, Đại học Thanh Hoa và Đại học Trùng Khánh (Trung Quốc) đã bắt đầu nghiên cứu về đặc tính phóng điện bề mặt ô nhiễm của cách điện trong điều kiện độ cao lớn với áp suất không khí thấp. Bằng cách sử dụng các thùng dầu có quy mô tương đối nhỏ, họ tiến hành các thử nghiệm phóng điện bề mặt ô nhiễm để hiểu rõ hơn và đánh giá ảnh hưởng của áp suất không khí (độ cao) lên đặc tính phóng điện bề mặt ô nhiễm của nhiều loại vật cách điện khác nhau. Các dự án truyền tải UHV (siêu cao áp) gần đây ở Trung Quốc chỉ đẩy nhanh quá trình nghiên cứu về cách tốt nhất để lựa chọn cách điện bên ngoài ở độ cao lớn. Cùng với đó là sự cải thiện nhanh chóng các cơ sở có sẵn cho mục đích này. Ví dụ, Trung Quốc đã đưa vào sử dụng hai thùng dầu áp suất không khí quy mô lớn tại Bắc Kinh và thành phố Vũ Hán miền Hoa Trung. Trong trường hợp của cơ sở ở Bắc Kinh, thân thùng dầu bao gồm một cấu trúc kim loại hình tròn có đường kính 20m, cao 25m và có thể mô phỏng độ cao lên tới 5.500m. Hơn nữa, nó có khả năng thực hiện không chỉ các thử nghiệm đóng băng và tan chảy trên các vật cách điện mà còn cả các thử nghiệm phóng điện bề mặt ô nhiễm UHV quy mô đầy đủ trong cả AC và DC. Cơ sở ở Vũ Hán có cùng kích thước thùng dầu nhưng làm bằng bê tông cốt thép, cũng đã tiến hành nhiều thử nghiệm ô nhiễm vật cách điện và phóng điện bề mặt đóng băng ở độ cao lớn mô phỏng.

Phòng thử nghiệm ô nhiễm trong buồng và đường dây gần Côn Minh hoạt động ở độ cao 2.100m (Ảnh st)

China Southern Power Grid – một trong hai nhà điều hành lưới điện lớn của Trung Quốc – đã bố trí một phòng thí nghiệm ô nhiễm tại thành phố Côn Minh ở phía nam, với độ cao 2.100m. Phòng thí nghiệm có kích thước 26mx28mx30m và có thể tiến hành thử nghiệm phóng điện bề mặt ở mức lên đến ± 1.000kV DC và 800kV AC. Thực vậy, Đại học Thanh Hoa và Trung tâm Kỹ thuật China Southern Power Grid đã tiến hành một dự án nghiên cứu chung tại cơ sở này để nghiên cứu các đặc tính phóng điện bề mặt ô nhiễm của hệ thống treo toàn phần ± 800kV cũng như các vật cách điện tại trạm có các vật liệu và cấu hình khác nhau.

Tổng công ty Lưới điện Nhà nước Trung Quốc đã xây dựng một cơ sở thử nghiệm tại Dương Bá Tĩnh (Tây Tạng), ở độ cao hơn 4.000m. Cơ sở này bao gồm một phòng thí nghiệm ô nhiễm và buồng sương mù có kích thước 9mx9mx11m và có thể thử nghiệm ở mức ± 200kV DC và 200kV AC.

Các thùng áp suất không khí ở Bắc Kinh và Vũ Hán cũng như các cơ sở thử nghiệm ở độ cao mới tại Côn Minh và Tây Tạng có tác dụng bổ sung cho nhau. Ví dụ, các thùng áp suất không khí mô phỏng nhân tạo áp suất không khí ở độ cao lớn và áp suất không khí thấp để đánh giá ảnh hưởng của nó đến hành vi phóng điện bề mặt vật cách điện. Các kết quả thử nghiệm từ hai địa điểm thử nghiệm ở độ cao lớn sau đó có thể xác minh những phát hiện này. Đồng thời, kinh nghiệm phóng điện bề mặt do ô nhiễm vật cách điện trong điều kiện độ cao lớn của các cơ sở thử nghiệm có thể áp dụng trực tiếp trong quá trình thiết kế dự án.

Tại Trung Quốc, các trường đại học, viện nghiên cứu và đơn vị điều hành lưới điện đều đã tiến hành các thử nghiệm về xu hướng điện áp phóng điện bề mặt ô nhiễm của vật cách điện giảm khi độ cao tăng. Mức độ ô nhiễm trong quá trình thử nghiệm dao động từ thấp đến cao, bao gồm cả các thử nghiệm phóng điện bề mặt do AC và DC. Rất nhiều dữ liệu thử nghiệm đã thu thập được trong quá trình này và, mặc dù các số liệu thực tế có thể khác nhau đôi chút giữa các thử nghiệm, nhưng xu hướng cơ bản vẫn giống nhau. Ví dụ, tất cả các thử nghiệm này đều xác nhận rằng giá trị của số mũ n, (định lượng ảnh hưởng của áp suất không khí đến điện áp phóng điện bề mặt ô nhiễm) không chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào mà còn phụ thuộc vào loại cách điện (cho dù là sứ, thủy tinh hay vật liệu composite).

Về vấn đề này, họ đã tiến hành các thử nghiệm trên bốn thiết kế khác nhau của vật cách điện treo, với các phát hiện về các giá trị số mũ n kết quả cho các biên dạng khác nhau thể hiện bên dưới. Phân loại của các thiết kế vật cách điện này là: (a) XS-4,5, (b) XP-16, (c) XP3-16 và (d) XWP2-16.

Các kết quả thử nghiệm cho thấy giá trị n dùng cho loại vật cách điện a (có biên dạng tương đối đơn giản và không có lề ở bề mặt dưới) tương đối nhỏ. Hơn nữa, các giá trị n dùng cho loại vật cách điện này thay đổi khá nhiều ở các mức độ ô nhiễm nghiêm trọng khác nhau. Người ta cũng thấy rằng giá trị n của loại chống ô nhiễm d không nhất thiết cao hơn so với các vật cách điện loại b và loại c thông thường.

Đại học Trùng Khánh, Viện nghiên cứu Điện lực Trung Quốc, China Southern Grid và Viện nghiên cứu thiết bị điện cao thế Tây An đều đã thực hiện các phân tích thống kê riêng biệt về giá trị n thu được từ các thử nghiệm này để đo ảnh hưởng của áp suất không khí lên điện áp phóng điện bề mặt ô nhiễm (và bao gồm một thử nghiệm phóng điện bề mặt ô nhiễm với AC cũng như một thử nghiệm phóng điện bề mặt ô nhiễm với DC cực tính âm). Tổng cộng có 80 mẫu thử nghiệm vật cách điện treo AC, và phân bố của n giá trị thu được thể hiện trong biểu đồ hình chữ nhật của Hình 2. Giá trị n này tuân theo phân phối chuẩn, với giá trị trung bình là 0,49. Sau đó, người ta áp dụng một cách tiếp cận tương tự cho các vật cách điện trụ AC và ở đây giá trị n trung bình là 0,48 (tức là rất gần với giá trị của các vật cách điện treo). Tuy nhiên, giá trị n trung bình đối với các vật cách điện treo DC là 0,27, thấp hơn đáng kể so với AC.

Ảnh hưởng của độ cao (áp suất không khí) đến điện áp phóng điện bề mặt ô nhiễm thường thể hiện bằng công thức đã đề cập trước đó, về cơ bản là công thức thực nghiệm để xử lý dữ liệu thử nghiệm theo thống kê. Ý nghĩa vật lý của n không rõ ràng lắm. Do đó, Đại học Thanh Hoa đã đề xuất nên sử dụng công thức dưới đây thay thế.

U(p) = (1-Kh)U(p₀)

Ý nghĩa vật lý của K trong trường hợp này là thể hiện tỷ lệ phần trăm điện áp phóng điện bề mặt ô nhiễm giảm cho mỗi lần tăng 1.000m độ cao, trong khi h thể hiện bội số liên quan của 1.000m. Bằng cách so sánh hai công thức này, có thể thu được mối tương quan dưới đây giữa K và n:

K = {1-( p/p₀ )ⁿ }/giờ

Dựa trên dữ liệu từ Bảng 1, mối tương quan giữa K và n có thể tính theo công thức này và thể hiện trong Hình 3.

Hình 3: Tương quan giữa K và n 

Ví dụ, với giá trị thứ n là 0,5, so với các khu vực bằng phẳng (gần mực nước biển), điện áp phóng điện bề mặt do ô nhiễm của vật cách điện ở các độ cao 1.000m và 2.000m sẽ giảm lần lượt là 5,7% và 11,4%. Biểu đồ cũng chỉ định một hình ảnh trực tiếp hơn về ý nghĩa vật lý của một giá trị n.

Nghiên cứu tại Đại học Thanh Hoa đã phát hiện ra rằng có hai lý do cơ bản đằng sau sự thay đổi điện áp phóng điện bề mặt do ô nhiễm khi áp suất không khí thay đổi. Một là đặc tính volt-ampe của một hồ quang điện thay đổi theo áp suất không khí và thứ hai là ảnh hưởng của phóng điện hồ quang nối tắt phóng điện bề mặt qua biên dạng của vật cách điện hoặc các xiêm.

Nghiên cứu đo lường ảnh hưởng của biên dạng xiêm lên đặc tính phóng điện bề mặt do ô nhiễm của vật cách điện tại cơ sở thử nghiệm ở độ cao lớn tại Tây Tạng cho thấy hồ quang điện nối tắt biên dạng vật cách điện có hai thành phần rõ nét: hồ quang điện ổn định và cũng là hồ quang điện đánh thủng không khí. Loại thứ nhất – các hồ quang điện nối tắt ổn định – không dễ dập tắt và di chuyển do các lực bên ngoài như điện từ và lực đẩy nhiệt. Khi gốc hồ quang di chuyển, nguy cơ thiếu khoảng cách phóng điện đủ lớn sẽ tăng lên, dẫn đến phóng điện bề mặt.

Loại thứ hai là 'cầu nối nhịp'. Trong trường hợp này, hồ quang đi qua không phải là kết quả của sự phóng điện cục bộ mà đúng hơn là do đánh thủng khe hở không khí bên ngoài biên dạng vật cách điện. Cầu nối nhịp hồ quang này dẫn đến tình trạng thiếu hụt khoảng cách phóng điện đủ lớn và do đó làm giảm điện áp phóng điện. Nghiên cứu phát hiện rằng càng nhiều biên dạng nhô ra và khoảng cách giữa chúng càng ngắn thì khả năng cầu nối nhịp hồ quang càng cao và điện áp phóng điện càng giảm đáng kể. Ở những khu vực có độ cao lớn, 'cầu nối cách điện toàn phần' này giữa các gờ cách điện là kiểu có nhiều khả năng xảy ra hơn và do đó, điều này đặt ra yêu cầu khắt khe hơn về cấu hình cách điện lý tưởng. Nói cách khác, các vật cách điện hoạt động tốt gần mực nước biển không nhất thiết cũng phù hợp để sử dụng ở các khu vực miền núi.
 

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “INMR”, số tháng 1/2025