Tổng quan toàn diện về đường dây truyền tải UHV và sứ cách điện tổng hợp: Thách thức Thiết kế và Ứng dụng

1 Đặc điểm và thành phần của đường dây truyền tải điện áp cao

1.1 Đặc điểm của đường dây truyền tải điện áp cao

Đường dây truyền tải điện áp cao có đặc điểm là chi phí tương đối thấp do lượng thông tin cần thiết ít hơn. Chúng thường sử dụng hai dây dẫn, một nối với cực dương và một nối với cực âm. Đường dây truyền tải một chiều có độ bền và có thể truyền dòng điện qua quãng đường dài. Trong một số cơ sở truyền tải điện áp cao ở Trung Quốc, truyền tải xoay chiều cũng được sử dụng rộng rãi, điều này đặc biệt rõ ràng trong cuộc sống hàng ngày.

1.2 Đường dây truyền tải điện áp cao là thành phần chính trong thiết kế điện

Trong công việc thiết kế cơ bản, các bản vẽ kỹ thuật cần thiết cho xây dựng phải được chuẩn bị cẩn thận và tuân theo quy trình làm việc. Việc lựa chọn nguyên liệu thô cho kế hoạch xây dựng, cũng như thiết kế hợp lý các tuyến đường, phương pháp xây dựng và các thách thức lưu trữ tương ứng của đội xây dựng, đảm bảo hoạt động bình thường của đường dây điện, cải thiện hiệu quả công việc và tăng cường hiệu quả công việc xây dựng.

2 Tình trạng phát triển của đường dây truyền tải điện siêu cao áp

So với các đường dây thông thường, đường dây truyền tải điện siêu cao áp (UHV) có yêu cầu cao hơn, chẳng hạn như mức cách điện bên ngoài, công nghệ kỹ thuật điện và các biện pháp bảo vệ đường dây. Nếu mức cách điện bên ngoài của đường dây truyền tải UHV không đạt tiêu chuẩn hoặc các biện pháp bảo vệ không đủ, các sự cố như chập điện do ô nhiễm, quá điện áp và hỏng hóc sẽ tăng lên. Do đó, việc sử dụng cách điện tổng hợp trên đường dây truyền tải UHV là cần thiết và là một phần không thể thiếu của việc xây dựng lưới điện hiện đại.

3 Vấn đề với cách điện tổng hợp trong đường dây truyền tải UHV

3.1 Hư hỏng giao diện

Các vấn đề hư hỏng điện của cách điện tổng hợp chủ yếu do sét đánh, chiếm hơn một nửa tất cả các hư hỏng. Mặc dù vật liệu đang liên tục được cải tiến, vấn đề hư hỏng giao diện lặp đi lặp lại vẫn tồn tại. Trong quá trình sản xuất, cả thanh lõi và vỏ đều có hiện tượng bong tróc đáng kể, và giao diện giữa vỏ và đường kính thanh có thể bị ăn mòn, có thể dẫn đến hư hỏng giao diện và ảnh hưởng đến tuổi thọ của cách điện. Cần phải tối ưu hóa và cải tiến liên tục sản phẩm để giảm xác suất hư hỏng giao diện.

3.2 Gãy giòn thanh lõi

Gãy giòn thanh lõi là một loại lỗi phổ biến của cách điện tổng hợp thường gặp trong đường dây truyền tải UHV. Trong quá trình gãy giòn thanh lõi, do sự ăn mòn axit, các sợi thanh lõi dần bị gãy dưới tác dụng của axit, thậm chí khiến toàn bộ thanh lõi gãy dưới tải nhỏ. Các nguyên nhân chính là:

Thứ nhất, nó thường xảy ra ở vị trí mà cường độ điện trường ở cực cao. Đảo ngược vòng phân cấp có thể dẫn đến gãy giòn của cách điện tổng hợp. Để giải quyết vấn đề này, thiết kế và chế tạo vòng phân cấp nên đảm bảo cường độ từ trường đạt mức quy định, tránh hiệu quả sự gãy giòn của vật liệu.

Thứ hai, có thể xuất hiện nứt khi vỏ hoặc mặt đầu bị hỏng. Tuy nhiên, việc sử dụng thanh lõi chống axit mới không chứa boron đã cải thiện đáng kể khả năng chống axit tổng thể, giảm đáng kể vấn đề này. Nên lưu ý rằng không phải tất cả các thanh lõi sợi đều có đặc tính chống axit tốt; do đó, cần đánh giá và lựa chọn hiệu suất. Mặc dù gãy giòn có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động, nhưng xác suất xảy ra thấp và có thể giảm thông qua các can thiệp khác nhau.

3.3 Vấn đề lão hóa

Sau một thời gian sử dụng, cách điện có thể gặp vấn đề lão hóa chủ yếu do yếu tố nhiệt độ và xả điện bề mặt. Mặc dù vật liệu cao su silicone có chu kỳ lão hóa lâu hơn, nhưng lão hóa ban đầu vẫn có thể xảy ra do ô nhiễm môi trường và công nghệ pha chế vật liệu. Trong khi hầu hết các khu vực có thể duy trì điều kiện và đặc tính tốt thông qua gel silicone, lão hóa là không thể tránh khỏi. Để đảm bảo hoạt động an toàn của cách điện, cần kiểm tra sớm. Do đó, cần kiểm tra định kỳ cách điện tổng hợp để ngăn chặn sự suy giảm thêm.

3.4 Vấn đề cơ học

Cách điện tổng hợp thể hiện sự suy giảm đáng kể về hiệu suất cơ học trong quá trình sử dụng. Hiện nay, cách điện dạng cắm nội bộ được sử dụng, nhưng chúng có yêu cầu cao về phương pháp ghép nối, với sự khác biệt đáng kể về độ dốc rò so với thiết kế cách điện cuộn mép.

4 Xác định chiều dài chuỗi cách điện và khoảng cách không khí tối thiểu cho đường dây UHV

4.1 Khoảng cách cách điện điện được xem xét trong thiết kế đường dây UHV

Yêu cầu khớp cách điện cho đường dây UHV 1000kV AC phải đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy trong các điều kiện như tần số điện, quá điện áp chuyển mạch và quá điện áp sét. Sét tần số điện của cách điện là yếu tố kiểm soát chính cho chuỗi cách điện. Cấu trúc cách điện bên ngoài thường được tính toán dựa trên khả năng chịu ô nhiễm, kết hợp với kinh nghiệm kỹ thuật hiện có, xem xét các yếu tố như độ cao và phủ băng. Đối với quá điện áp chuyển mạch, hệ số quá điện áp 1.6p.u. và 1.7p.u. được lấy; khi điện áp hoạt động cao nhất của hệ thống là 1100kV, nếu quá điện áp chuyển mạch không thể kiểm soát số lượng cách điện và giá trị tính toán thấp hơn 50% điện áp phóng điện xung của chuỗi cách điện, có nguy cơ phóng điện xung. Trong hệ thống UHV, quá điện áp sét không có mối quan hệ trực tiếp với điện áp hoạt động, và mức cách điện bên ngoài cao làm cho quá điện áp sét không phải là yếu tố quyết định.

4.2 Chiều dài chuỗi cách điện

Trong điều kiện ô nhiễm, chiều dài chuỗi cách điện được xác định bằng phương pháp chống ô nhiễm. Điều này bao gồm: (1) đo điện áp sét do ô nhiễm của các cách điện khác nhau trong điều kiện khí quyển để xác định mối quan hệ giữa điện áp sét 50% và mật độ muối của các cách điện khác nhau; (2) đo điện áp chịu đựng của cách điện; (3) hiệu chỉnh và tính toán mật độ muối tan; (4) hiệu chỉnh tác động của tỷ lệ tro-đến-muối đối với ô nhiễm bề mặt của cách điện; (5) hiệu chỉnh sự không đồng đều giữa bề mặt trên và dưới; (6) hiệu chỉnh độ cao ở độ cao lớn; và (7) tính toán số đoạn cách điện dưới điều kiện điện áp làm việc tối đa.

4.3 Xác định khoảng cách không khí tối thiểu cho đường dây UHV

4.3.1 Tính toán số lượng cách điện tối thiểu cho hoạt động bình thường

Bài viết này tập trung vào vấn đề khoa học chính về việc lựa chọn khoảng cách tối thiểu cho đường dây truyền tải UHV, sử dụng đường dây truyền tải đơn mạch làm đối tượng nghiên cứu. Nó nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách không khí đối với kích thước tháp truyền tải dưới điện áp tần số và tác động của sét, xác định khoảng cách tối thiểu của tháp truyền tải bằng cách đo khoảng cách không khí, và xem xét ảnh hưởng của sự suy thoái cách điện đối với cấu trúc tháp truyền tải, đề xuất khoảng cách tối thiểu cho tháp truyền tải, xem xét sự suy thoái cách điện.

4.3.2 Xác định khoảng cách không khí cho quá điện áp chuyển mạch

Điều này liên quan đến việc xác định hệ số khớp thống kê cho hoạt động quá điện áp chuyển mạch dựa trên việc tính toán điện áp phóng điện xung làm việc U50% cho các khoảng cách không khí riêng lẻ.

Trong đó, Us đại diện cho quá điện áp chuyển mạch, đo bằng kV; Z là hằng số, do đó được đặt là 2.45; đối với khoảng cách không khí đơn, σ1 được đặt là 0.06; trong đó, σm là phương sai của nhiều khoảng cách không khí, được đặt là 0.024. Do đó:

Do đó, hệ số phối hợp thống kê kckc cho quá điện áp hoạt động của khoảng cách không khí đường dây là:

5 Ứng dụng của cách điện tổng hợp trong đường dây truyền tải UHV

Qua thực tế vận hành các đường dây hiện có, đã thấy rằng việc sử dụng cách điện tổng hợp có thể giảm cả chi phí bảo dưỡng đường dây và ô nhiễm lưới điện. Trong các khu vực ô nhiễm, nên sử dụng cách điện tổng hợp. Đối với đường dây truyền tải 1000kV, nên sử dụng cách điện cao khoảng 9 mét, và trong các khu vực ô nhiễm nặng, cách điện cao hơn 17 mét. Nếu sử dụng nhiều kết nối series, chiều cao của cách điện có thể được điều chỉnh thêm, nhưng điều này cũng sẽ tăng trọng lượng và chiều dài của cách điện, tăng chi phí đường dây.

Ở các khu vực cao và ô nhiễm nặng, cách điện tổng hợp mang lại lợi thế kinh tế và kỹ thuật cao hơn. Khi chiều dài chuỗi kết hợp không vượt quá 10 mét, nó có thể giảm diện tích cửa tháp, kiểm soát tải tháp, và giảm sự xảy ra tai nạn sét. Do đó, cách điện tổng hợp có lợi thế đáng kể trong các khía cạnh này. Để đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy lâu dài của đường dây truyền tải UHV, cần phải nghiên cứu sâu.

Một mặt, cần nghiên cứu về đặc tính cơ học của cách điện tổng hợp siêu lớn để hình thành các tiêu chuẩn và phương pháp kiểm tra hiệu quả. Ngoài ra, trong khi đảm bảo áp lực đồng đều trên cách điện tổng hợp, cần áp dụng các biện pháp thích hợp để giải quyết vấn đề nhiễu điện từ và phóng điện corona, giảm thiểu tai nạn đột ngột. Phương pháp phóng hồ quang hợp lý đảm bảo hiệu quả dập tắt hồ quang.

Cấu trúc cơ học tối ưu đảm bảo rằng cách điện hỏng sẽ không rơi xuống đất. Cần thiết lập các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt để cấm các sản phẩm không đạt chuẩn, kiểm soát nghiêm ngặt vật liệu cho thanh lõi và chân váy, và cải tiến kỹ thuật sản xuất từ nguồn gốc để giảm thiểu nguy cơ an toàn vận hành. Trong quá trình xây dựng, cần thực hiện quy trình lưu trữ khoa học để kiểm soát chặt chẽ các hư hỏng tiềm ẩn. Cần thực hiện các kế hoạch bảo dưỡng và kiểm tra hiệu quả để kịp thời phát hiện nguy cơ an toàn và áp dụng các biện pháp tương ứng để đảm bảo an toàn sản xuất.

6 Kết luận

Cách điện tổng hợp đã được sử dụng ngày càng nhiều trong lưới điện Trung Quốc và trở thành một thành phần quan trọng trong việc xây dựng lưới điện. Với yêu cầu về diện tích cắt lớn và điều kiện tải cao trong đường dây truyền tải UHV, cách điện tổng hợp nên được ưu tiên hơn so với cách điện thủy tinh và các loại khác. Khi quy mô của đường dây truyền tải UHV mở rộng, nhiều thách thức hơn xuất hiện, dẫn đến yêu cầu cao hơn về hiệu suất của chúng.

Ngoài việc đảm bảo áp lực đồng đều trên cách điện tổng hợp, cần áp dụng các biện pháp phù hợp để giải quyết vấn đề nhiễu điện từ và phóng điện corona, giảm thiểu tai nạn đột ngột. Phương pháp phóng hồ quang hợp lý đảm bảo hiệu quả dập tắt hồ quang. Cấu trúc cơ học tối ưu đảm bảo rằng cách điện hỏng sẽ không rơi xuống đất. Cần thiết lập các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt để cấm các sản phẩm không đạt chuẩn, kiểm soát nghiêm ngặt vật liệu cho thanh lõi và chân váy, và cải tiến kỹ thuật sản xuất từ nguồn gốc để giảm thiểu nguy cơ an toàn vận hành.

Trong quá trình xây dựng, cần thực hiện quy trình lưu trữ khoa học để kiểm soát chặt chẽ các hư hỏng tiềm ẩn. Cần thực hiện các kế hoạch bảo dưỡng và kiểm tra hiệu quả để kịp thời phát hiện nguy cơ an toàn và áp dụng các biện pháp tương ứng để đảm bảo an toàn sản xuất.