Sự Phân Giải Xung Dốc Của Đèn Pha Lê Hỗn Hợp Bị Phủ HTV: Cơ Chế Phân Giải Thử Nghiệm và Mô Phỏng

Các sứ và cách điện bằng thủy tinh thể hiện hiệu suất cách điện và độ bền cơ học xuất sắc, nhưng dễ bị chập do ô nhiễm dưới điều kiện ô nhiễm nghiêm trọng, đe dọa sự vận hành ổn định của lưới điện. Để tăng cường khả năng chống chập do ô nhiễm của cách điện bên ngoài, các nhà sản xuất thường áp dụng lớp phủ silicone cao su vulcan hóa ở nhiệt độ phòng (RTV) có tính chất chống thấm nước và chuyển giao chống thấm nước ưu việt lên bề mặt cách điện, do đó giảm thiểu rủi ro chập. Ban đầu, lớp phủ RTV ở Trung Quốc được áp dụng trực tiếp tại công trường, phương pháp này đặc trưng bởi khó khăn trong thi công và kiểm soát chất lượng không đồng đều.

Sau đó, quy trình nhúng hoặc phun tại nhà máy được phát triển, cho phép cách điện được phủ RTV được giao như sản phẩm hoàn chỉnh, chịu sự giám sát và chấp nhận, cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm và thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi trong lưới điện. Tuy nhiên, lớp phủ RTV có độ bền cơ học thấp và độ bám dính yếu giữa lớp phủ và thân cách điện, khiến chúng dễ bị hư hỏng do lực bên ngoài trong quá trình vận chuyển, xây dựng, lắp đặt và hoạt động lâu dài. Hiện tượng lão hóa trong quá trình hoạt động như bong tróc, nứt và tách lớp là phổ biến, đòi hỏi phải tháo dỡ và phủ lại, dẫn đến chi phí bảo trì cao.

Các sứ treo đĩa composite sử dụng một sứ hoàn chỉnh làm lõi, với vỏ silicone cao su vulcan hóa ở nhiệt độ cao (HTV) - dày tối thiểu 3 mm - được tạo hình trong một lần ép thông qua quá trình tiêm ở nhiệt độ cao. So với RTV, HTV thể hiện độ bền cơ học vượt trội, cũng như hiệu suất tăng cường về khả năng kháng theo dõi và ăn mòn, chống cháy, tính chất điện, khả năng chống lão hóa và chịu nhiệt cao.

Ngoài ra, bằng cách sửa đổi lớp men trên bề mặt sứ và sử dụng các tác nhân liên kết chuyên dụng, sức mạnh liên kết giao diện giữa sứ và silicone cao su HTV được cải thiện đáng kể, thúc đẩy sự tích hợp và đồng nhất của thành phần. Do đó, sứ treo đĩa composite cung cấp hiệu suất cơ học và chống chập do ô nhiễm vượt trội với yêu cầu vận hành và bảo dưỡng thấp, mở ra con đường mới cho ứng dụng cách điện bên ngoài trong đường dây truyền tải.

Kinh nghiệm thực tế cho thấy khi đường dây trên không bị sét đánh, điện áp dư chứa xung có biên độ rất ngắn, độ dốc cao và điện áp đỉnh cực kỳ cao, gây ra mối đe dọa lớn đối với sứ cách điện. Các xung có biên độ dốc có thể gây thủng hoặc thậm chí nổ sứ, và trong trường hợp nghiêm trọng, có thể dẫn đến đứt chuỗi và rơi đường dây. Khả năng chịu xung có biên độ dốc là chỉ số quan trọng về chất lượng sứ cách điện.

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về hiệu suất xung dốc của sứ và cách điện bằng thủy tinh cả trong và ngoài nước, nhưng các nghiên cứu về sứ treo đĩa composite vẫn còn hạn chế, và cơ chế của chúng chưa được hiểu rõ. Do đó, bài viết này tiến hành các thử nghiệm phá vỡ xung trong không khí trên sứ treo đĩa composite để điều tra các đặc điểm phá vỡ xung dốc.

Các thử nghiệm phá vỡ xung trong không khí hiệu quả trong việc đánh giá khả năng chịu xung dốc của thiết bị điện, đảm bảo an toàn và tin cậy dưới các điều kiện cực đoan, và có giá trị lớn trong đánh giá chất lượng sứ cách điện. Nghiên cứu này đầu tiên tiến hành các thử nghiệm phá vỡ xung để phân tích hiệu suất xung dốc, sau đó thiết lập mô phỏng phân bố điện trường ở đỉnh xung dốc dựa trên kết quả thử nghiệm để khám phá cơ chế thay đổi hiệu suất, nhằm cung cấp hướng dẫn cho phối hợp cách điện của sứ composite trong đường dây truyền tải.

1 Thiết lập Thử nghiệm Phá vỡ Xung trong Không khí

1.1 Mẫu thử

Sứ treo đĩa composite HU550B240/650T AC do một nhà sản xuất sản xuất được chọn làm mẫu thử. Sứ có cấu trúc ba ôm, như được hiển thị trong Hình 1. Các thông số hiệu suất chính được liệt kê trong Bảng 1.

1.2 Nền tảng và Phương án Thử nghiệm
Một máy phát điện áp xung 2400 kV được sử dụng cho thử nghiệm. Mũ sứ được đặt xuống trên tấm kim loại nối đất, và một ổ cắm bi tiêu chuẩn được lắp vào đầu cọc để ngăn chặn tập trung điện trường quá mức trong khu vực gắn cọc. Cấu hình sứ được minh họa trong Hình 2.

Thử nghiệm phá vỡ xung trong không khí được tiến hành trên tổng cộng 20 mẫu sứ. Các phương pháp thử nghiệm phá vỡ xung trong không khí được phân loại thành phương pháp độ dốc và phương pháp biên độ, với phương pháp biên độ chủ yếu được sử dụng cho sứ đĩa.

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp biên độ, không yêu cầu tuyến tính của biên độ xung mà chỉ sử dụng biên độ điện áp phá vỡ làm tiêu chí, với thời gian biên độ được kiểm soát từ 100 đến 200 ns và sai lệch biên độ trong ±10%. Trong quá trình thử nghiệm, mỗi sứ được áp dụng năm xung điện áp cực dương, sau đó là năm xung cực âm, và chuỗi này được lặp lại một lần. Khoảng thời gian giữa các xung liên tiếp được duy trì từ 1 đến 2 phút.

Nghiên cứu từ cả trong và ngoài nước cho thấy việc phủ bề mặt sứ bằng silicone cao su thay đổi tốc độ lan truyền dòng điện bề mặt trên sứ, dẫn đến giảm khả năng chịu xung dốc. Tuy nhiên, hiệu suất cách điện ở đầu sứ vẫn không bị ảnh hưởng trong quá trình hoạt động thực tế.

Hiện tượng này đã được xác nhận bởi hơn mười nhà sản xuất sứ đĩa trong nước: bất kể kiểu dáng của cánh chắn là kiểu rãnh sâu hay kiểu ôm xen kẽ, hoặc cấu trúc đầu là hình trụ hay hình nón, tất cả các sứ đều thể hiện mức độ giảm khả năng chịu xung dốc sau khi phủ silicone cao su.

Do đó, các tiêu chuẩn liên quan đã được sửa đổi, giảm biên độ thử nghiệm phá vỡ xung trong không khí cho sứ đĩa phủ RTV từ 2.8 p.u. xuống 2.2 p.u. Kết quả thử nghiệm sơ bộ cho thấy hiếm khi xảy ra phá vỡ ở 2.2 p.u. Do đó, nghiên cứu này đã chọn sứ không phủ RTV và tiến hành thử nghiệm phá vỡ xung trong không khí ở điện áp thử nghiệm tiêu chuẩn 2.8 p.u., với thời gian biên độ được kiểm soát trong khoảng 100-200 ns.

Phân tích thống kê thêm về cực tính điện áp và vị trí phá vỡ cho thấy trong 15 sự cố phá vỡ, 14 xảy ra ở cực dương và chỉ một xảy ra ở cực âm. Trong các sự cố phá vỡ cực dương, 8 xảy ra ở đầu và 6 ở cánh chắn; sự cố phá vỡ duy nhất ở cực âm xảy ra ở đầu. Ngoài ra, trước khi phá vỡ cánh chắn, đã quan sát thấy hồ quang trên bề mặt sứ, trong khi không có hồ quang nào được quan sát trong quá trình phá vỡ đầu.

Tuy nhiên, trong tài liệu tham khảo, tất cả các sự cố phá vỡ xung dốc của sứ xảy ra ở đầu, và trong tài liệu tham khảo, sứ đã phá vỡ ở đầu cả trước và sau khi phủ RTV. Ngược lại, thử nghiệm này cho thấy rằng không có lớp phủ HTV được tiêm một lần, sự cố phá vỡ xung dốc trong cùng một lô sứ xảy ra chỉ ở đầu. Sau khi phủ HTV, sự cố phá vỡ trong sứ composite xảy ra không chỉ ở đầu mà còn ở cổ, cho thấy lớp phủ silicone cao su HTV thay đổi đường đi phá vỡ.

Số lần áp dụng xung trước khi phá vỡ được ghi lại, với kết quả được hiển thị trong Hình 4. Như được minh họa, 12 sứ phá vỡ trong năm xung đầu tiên, một phá vỡ ở xung thứ 7, và hai phá vỡ ở xung thứ 15. Tài liệu tham khảo cho thấy sứ phủ RTV thể hiện sự giảm đáng kể khả năng chịu xung dốc, với khả năng phá vỡ cao hơn cho sứ có trọng lượng lớn, cho thấy việc phủ silicone cao su làm giảm khả năng chịu xung dốc. Trong thử nghiệm này, 80% sứ composite được phủ HTV phá vỡ trong bốn xung đầu tiên, càng chứng tỏ rằng sự hiện diện của silicone cao su HTV làm giảm đáng kể khả năng chịu xung dốc của sứ.

3 Mô phỏng Phân bố Điện trường ở Đỉnh Xung Dốc

Phân tích kết quả thử nghiệm trong Phần 2 cho thấy so với sứ, đường đi phá vỡ của sứ composite đã thay đổi và khả năng chịu xung dốc đã giảm đáng kể. Phần này sử dụng mô phỏng để tính toán phân bố điện trường của sứ composite ở đỉnh điện áp xung, nhằm điều tra nguyên nhân của đường đi phá vỡ thay đổi và giảm khả năng chịu xung dốc.

2.1 Mô hình Mô phỏng

Quan sát từ các thử nghiệm phá vỡ xung trong không khí cho thấy khi xảy ra chập cánh chắn trong sứ composite, hồ quang phát triển dọc theo bề mặt sứ đến vị trí phá vỡ. Sự hiện diện của hồ quang ảnh hưởng đến phân bố điện trường và cần được xem xét trong mô hình. Tuy nhiên, do hình dạng không đều của hồ quang, việc thiết lập mô hình 3D để tính toán sẽ gặp khó khăn, đặc biệt là vì lớp silicone cao su mỏng và kích thước nhỏ hơn nhiều so với sứ tổng thể, làm cho việc tạo lưới 3D trở nên khó khăn. Do đó, để phân tích định tính ảnh hưởng của lớp silicone cao su và hồ quang đến phân bố điện trường, một mô hình đối xứng trục hai chiều được sử dụng để đơn giản hóa trong phần này. Mô hình mô phỏng được hiển thị trong Hình 5.

2.2 Vật liệu và Điều kiện Biên

Điện áp xung sét 50% của sứ là 145 kV, và giá trị đỉnh của điện áp xung dốc 2.8 p.u. là 406 kV. Vì hầu hết các mẫu thử nghiệm đã trải qua sự cố phá vỡ cực dương, trong mô phỏng, cọc (cọc thép) được đặt ở tiềm năng cao (406 kV) và mũ (mũ thép) ở tiềm năng không. Các giá trị độ thấm điện tương đối của vật liệu được liệt kê trong Bảng 2.

2.3 Kết quả và Phân tích Mô phỏng

Trong mô hình không có lớp phủ silicone cao su, phân bố điện trường của sứ ở đỉnh điện áp xung dốc được hiển thị trong Hình 6(a). Như được thấy trong Hình 6, cường độ điện trường chủ yếu tập trung ở đầu sứ, đạt tới 50 kV/mm, cho thấy khả năng chập đầu sứ cao - phù hợp với kinh nghiệm thực tế và các nghiên cứu liên quan.

Để phân tích so sánh ảnh hưởng của lớp phủ silicone cao su, phân bố điện trường của mô hình sứ composite có lớp phủ silicone cao su được tiêm một lần được tính toán, với kết quả được hiển thị trong Hình 6(b). Có thể thấy từ Hình 6(b) rằng điện trường tối đa xảy ra ở cuối hồ quang trên bề mặt dưới của thân cách điện, khoảng 219.4 kV/mm; cường độ điện trường ở cuối hồ quang trên bề mặt trên thấp hơn, khoảng 41.21 kV/mm; và có sự tập trung điện trường đáng kể ở đầu cọc, với mức tối đa 50.68 kV/mm.

Do đó, dưới ảnh hưởng của lớp phủ silicone cao su, điện trở bề mặt của sứ tăng, làm tăng đáng kể tỷ lệ dòng điện dung thể tích so với dòng điện trở bề mặt ở cánh chắn. Điều này dẫn đến sự tăng đáng kể thành phần điện trường vuông góc với bề mặt sứ, khiến hồ quang theo sát bề mặt sau khi bắt đầu.

Dưới ảnh hưởng của lớp phủ HTV, hồ quang bề mặt lan truyền dọc theo bề mặt sứ khi chịu điện áp xung dốc, dẫn đến sự tăng mạnh của cường độ điện trường cục bộ - vượt xa mức ở đầu cọc - làm tăng khả năng phá vỡ ở đầu hồ quang và dẫn đến chập cánh chắn. Điều này cho thấy khả năng chịu xung dốc bị ảnh hưởng bởi lớp phủ HTV trên bề mặt cánh chắn. Ngoài ra, mô phỏng cho thấy điện trường tương đối cao ở đầu sứ, phù hợp với các sự cố chập đầu được quan sát trong các thử nghiệm.

3 Kết luận

Các thử nghiệm phá vỡ xung trong không khí đã được tiến hành trên sứ composite để phân tích đặc điểm phá vỡ xung dốc, và mô phỏng phân bố điện trường đã được thực hiện ở đỉnh điện áp xung dốc. Các kết luận sau đây được rút ra:

• Dưới điện áp xung dốc 2.8 p.u., 15 trong số 20 mẫu sứ composite đã trải qua sự cố phá vỡ, với 80% xảy ra trong bốn xung đầu tiên, cho thấy sự hiện diện của silicone cao su HTV làm giảm đáng kể khả năng chịu xung dốc của sứ composite.

• Trong 15 sự cố phá vỡ, ngoài các sự cố chập ở đầu cọc, sáu sự cố xảy ra ở cánh chắn, cho thấy sự thay đổi rõ ràng trong đường đi phá vỡ so với sứ sứ truyền thống.

• Kết quả mô phỏng cho thấy sự lan truyền hồ quang bề mặt trong sứ composite gây ra sự tăng đáng kể cường độ điện trường ở cánh chắn ở đỉnh điện áp, đạt 217.64 kV/mm, làm tăng khả năng chập cánh chắn. Ngược lại, đối với sứ không có lớp phủ silicone cao su, cường độ điện trường tối đa trong quá trình phát triển hồ quang nằm ở đầu cọc, đạt 49.55 kV/mm, nơi xảy ra sự cố phá vỡ chính.