Nghiên cứu về thiết bị truyền tải cách điện khí siêu cao áp

Để chủ động đáp ứng yêu cầu phát triển của ngành điện lực, công ty chúng tôi đã tăng cường điều tra các lỗi xây dựng lưới điện ở một khu vực cụ thể và cung cấp hỗ trợ vận hành và bảo trì cho các dự án truyền tải và biến áp UHV DC ở vùng cao bằng cách lắp đặt và tối ưu hóa các phương án thiết kế thiết bị truyền tải UHV. Tổng diện tích đất tại khu vực xây dựng là 2.541,22 m², với diện tích đất ròng là 2.539,22 m². Các tầng địa chất tại khu vực xây dựng, từ trên xuống dưới, bao gồm đất sét vàng, đất sét, đất cổ, và đất sét mịn—bốn lớp đất nền. Địa chất phức tạp và chịu tác động lâu dài của điều kiện vùng cao, dễ dẫn đến sự cố đường dây truyền tải.

Trong bối cảnh này, công ty chúng tôi đã thực hiện các tính toán dự án và xác định hệ số xây dựng của dự án là 61,48%, và độ sâu mặt nước ngầm nằm trong khoảng từ 8,8 đến 8,9 m, có khả năng gây ăn mòn nhất định đối với các cấu trúc bê tông trong dự án. Công ty chúng tôi tập trung chủ yếu vào dự án truyền tải và biến áp 110 kV, và quy mô xây dựng được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1: Quy mô xây dựng dự án truyền tải cách điện UHV

Ngoài ra, công ty chúng tôi cũng cần phải tăng cường xem xét phạm vi chịu áp lực của thiết bị truyền dẫn cách điện siêu cao áp và hợp lý sử dụng các cột cách điện và cốc cách điện để đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài của biến áp.

1. Phát triển Mô hình Điện trở Tiếp xúc
Vì dòng điện quá tải qua dây dẫn dễ xảy ra trong quá trình vận hành dự án này, do đó cần tránh sự hình thành các điểm tiếp xúc dẫn điện. Điều này có thể đạt được bằng cách nâng cao hiểu biết về khu vực điểm và nắm bắt hành vi co hẹp của đường đi dòng điện [1]. Do đó, bằng cách tăng cường quan sát tại hiện trường để hiểu rõ sự thay đổi của các đường dây điện xung quanh, phân bố bề mặt đất, dòng điện nối đất, nguồn điện và các điểm không dây từ xa có thể được phân tích ở cấp độ vi mô, giúp hiểu rõ vấn đề không đồng đều xảy ra trên bề mặt tiếp xúc, như được hiển thị trong Hình 1.

Bằng cách xây dựng mô hình tiếp xúc, bài viết này, kết hợp với ứng dụng của thiết bị truyền dẫn cách điện siêu cao áp, định nghĩa điện trở co hẹp thực tế của một điểm tiếp xúc đơn lẻ là:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
trong đó: Re đại diện cho điện trở co hẹp của một điểm tiếp xúc đơn lẻ; ρ₁ và ρ₂ là điện trở suất của các vật liệu tiếp xúc; và α biểu thị bán kính của điểm tiếp xúc.

Do đó, mức độ điện trở tiếp xúc có thể được phân tích chính xác thông qua phương pháp hiệu chỉnh dựa trên đường viền của các ngón tiếp xúc dạng dải. Hơn nữa, bằng cách kiểm tra các thông số vật liệu của thiết bị truyền dẫn cách điện trong khu vực tiếp xúc, có thể xác định vật liệu nào nên được sử dụng cho kết nối, như được hiển thị trong Bảng 2.

Phạm vi chịu áp suất của thiết bị truyền tải cách điện khí UHV là 1.000 kV, với điện áp chịu tối đa là 1.683 kV, đảm bảo an toàn cho việc truyền tải điện. Khả năng truyền tải có thể đạt từ 2,4 đến 5 lần so với truyền tải EHV 500 kV. Chất cách điện sử dụng là khí SF₆ tinh khiết, với áp suất nạp từ 0,3–0,4 MPa. Với GIL thế hệ thứ hai (Gas-Insulated Line), chất cách điện sử dụng là hỗn hợp gồm 20% SF₆ và 80% N₂ theo tỷ lệ thể tích, với áp suất nạp từ 0,7–0,8 MPa. Ngoài ra, không khí nén khô sạch cũng có thể được sử dụng làm môi trường, với áp suất nạp từ 1–1,5 MPa. Do đó, lựa chọn khí cách điện phải được xác định theo điều kiện thực tế để đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị truyền tải cách điện khí UHV trong dự án. Áp suất khí hoạt động cũng có thể được tăng lên một cách thích hợp, và phương pháp lắp đặt treo có thể được áp dụng để đảm bảo thiết bị phù hợp với mức điện áp UHV hiện tại.

Nhân viên cũng cần chú ý chặt chẽ đến trạng thái kết nối của các khớp chính trong thiết bị truyền tải cách điện khí UHV để tăng cường khả năng chịu tải. Tỷ lệ thanh mảnh của các thành phần cấu trúc chính cũng phải được tính toán:
λ₀ = kL₀ / r,
trong đó: λ₀ biểu thị tỷ lệ thanh mảnh của thành phần chính được kết nối; k là hệ số hiệu chỉnh; L₀ là chiều dài của thành phần chính của thiết bị truyền tải cách điện khí UHV; và r là bán kính quán tính của thành phần chính.

2.Các biện pháp ứng dụng cho thiết bị truyền tải cách điện khí UHV

2.1 Kiểm tra ứng suất của bus duct và dây dẫn
Khi áp dụng thiết bị truyền tải cách điện khí UHV, cũng cần xem xét tình trạng ứng suất của bus duct dạng ống. Áp suất bên trong là 0,6 MPa, và độ cao trung tâm của bus duct là 7,7 m. Trong hệ thống truyền tải ngoài trời hiện có, khoảng cách lớn nhất giữa hai giá đỡ là 12 m. Lực bên ngoài tác động lên dây dẫn cũng là 0,6 MPa, và ứng suất cho phép cho cả hai thành phần là 110 MPa. Ngoài ra, hệ thống truyền tải được cố định thông qua các bộ phận cách điện và dây dẫn ba chiều.

Đầu tiên, đường kính ngoài của bus duct là 500 mm, và đường kính ngoài của dây dẫn là 160 mm. Nếu có áp suất bên trong, đường kính ngoài phải giữ nguyên, và độ dày thành nên được tăng lên - từ 5 mm đến 20 mm. Dựa trên đường cong biến đổi ứng suất-thickness của ứng suất chính, ứng suất ban đầu của bus duct được tìm thấy là 18,45 MPa, chiếm 16,71% của ứng suất cho phép của vật liệu; ứng suất ban đầu của dây dẫn là 3,45 MPa, chiếm 3,71% của ứng suất cho phép. Điều này cho thấy, khi đường kính ngoài giữ nguyên, độ dày thành ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng áp suất, đặc biệt là ảnh hưởng đến ứng suất chính thứ nhất của ống. Áp suất bên trong thay đổi các giá trị ứng suất của cấu trúc đường ống - đặc biệt là đối với ống mỏng - và phương pháp đánh giá GIL có thể được sử dụng để xác định xem áp suất có ảnh hưởng đến bus duct và dây dẫn hay không.

Thứ hai, các đường ống chịu áp lực trong thiết bị truyền tải cách điện khí UHV - như đường ống áp lực và đầu nối cao áp - ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động. Phân tích ứng suất của cấu trúc đường ống chịu áp lực mỏng nên được thực hiện bằng công thức sau để tính ứng suất bình thường theo chu vi σₜ trên mặt cắt dọc của ống:
σₜ = ρD / (2δ),
trong đó: ρ là áp suất bên trong của ống; D là đường kính trong của ống; và δ là độ dày thành của ống. Khi mức điện áp thay đổi, các bushing đường kính lớn hơn được ưu tiên cho mức điện áp cao hơn, trong khi các bushing đường kính nhỏ hơn đủ cho mức điện áp thấp hơn.

2.2 Làm rõ đặc điểm tiếp xúc điện của khí
Đối với thiết bị truyền tải cách điện khí UHV, các khí chính được sử dụng bao gồm SF₆, hỗn hợp nitơ-oxy, và N₂. Nghiên cứu về các khí này cần được tăng cường để hiểu rõ sự khác biệt về đặc điểm tiếp xúc điện. Đối với ngón tiếp xúc dạng đai, SF₆ có thể được sử dụng làm chất cách điện để tận dụng tối đa tính năng dập hồ quang và cách điện tuyệt vời của nó. Điện trở tiếp xúc tổng (Rₜ) được sử dụng để mô tả hành vi điện của cấu trúc dẫn điện:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
trong đó: Rₚ là điện trở khối; R꜀₁ là điện trở tiếp xúc của điện cực trên; và R꜀₂ là điện trở tiếp xúc của điện cực dưới. Do đó, sức chịu điện của SF₆ phụ thuộc vào áp suất khí - càng cao áp suất, sức chịu điện càng lớn.

2.3 Tối ưu hóa thiết kế khoảng cách điện trường
Trong dự án này, điện trường nội bộ hơi không đồng đều, với hệ số không đồng đều khoảng 1,7. Nếu có điều kiện chịu điện áp sét xung trong khu vực, chúng sẽ tăng ứng suất lên các đường dây truyền tải, với hệ số xung là 1,25. Đầu tiên, dựa trên điều kiện chịu điện áp xoay chiều và xung sét trong khu vực, giá trị đỉnh nên được xác nhận trong phạm vi 1,6–1,7 để đảm bảo hoạt động không gặp vấn đề của thiết bị truyền tải cách điện khí UHV.

Hiểu về cấu trúc hình trụ đồng trục, cường độ điện trường E(x) trong khu vực có thể được tính toán để xác định các kịch bản cần tối ưu:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
trong đó: x là khoảng cách giữa dây dẫn và vỏ bọc; U là điện áp được áp dụng cho điện cực; R là bán kính trong của vỏ bọc; và r là bán kính ngoài của dây dẫn trung tâm. Điều này cho phép đánh giá xem bề mặt dây dẫn trung tâm có thể bị hư hại dưới cường độ điện trường tối đa hay không. An toàn điện trường phải được kiểm soát, và hiệu suất cơ học phải được cải thiện.

Trong quá trình thiết lập cơ sở hạ tầng điện trường, khả năng chịu tải thực tế của thiết bị truyền tải cách điện khí UHV cần được kiểm chứng ở cấp nền móng, và hoàn thành các phép tính ứng suất:
P = A × F,
trong đó: P là khả năng chịu tải của thiết bị; A là diện tích mặt cắt ngang của tháp truyền tải; và F là cường độ vật liệu. Ngoài ra, nếu nền móng được tạo thành từ đất sét hạt mịn, nền móng phải được nén chặt trước khi tiến hành lắp đặt đường dây treo.

Qua thiết kế tối ưu, xem xét cấu trúc sản phẩm và khả năng sản xuất, có thể đảm bảo hiệu suất cách điện cao dưới điều kiện xung sét. Thứ hai, nếu ngăn khí dài, việc lắp đặt thiết bị truyền tải cách điện khí UHV trở nên khó khăn. Trong trường hợp này, áp suất khí hoạt động cục bộ có thể được đặt ở 0,4–0,5 MPa thông qua thiết kế cường độ điện trường, cho phép các hạt dẫn điện hoạt động bình thường dưới ảnh hưởng của điện trường mà không gây ra phóng điện cục bộ hoặc hỏng hóc khoảng cách khí.

Cuối cùng, dựa trên điều kiện cụ thể của thiết bị cách điện khí siêu cao áp, đường kính ngoài của thanh dẫn nên được thiết kế là 130 mm, và đường kính trong của vỏ bọc là 480 mm. Cũng cần chú ý đến phần cắm: độ dày thành phải được đặt ở mức 30–40 mm, và khoảng cách phải <1 mm. Nếu bán kính rãnh ngoài của khu vực cắm được đặt là 5 mm, sự biến đổi của cường độ điện trường có thể được hiểu rõ hơn—cường độ điện trường cao gần rãnh tương ứng với bán kính lớn, trong khi cường độ điện trường thấp tương ứng với bán kính nhỏ. Dưới điều kiện kiểm soát tập trung điện trường cục bộ, phải ngăn chặn cường độ điện trường quá mức trong khe hở, cho phép thiết kế kết nối điện sơ bộ cho thiết bị cách điện khí siêu cao áp và đáp ứng yêu cầu phân phối tín hiệu điện trường.

2.4 Thiết kế cách điện hợp lý
Vì các cách điện trong thiết bị cách điện khí siêu cao áp hoạt động dọc theo mặt đất, điện áp phóng điện bề mặt của chúng thấp hơn điện áp phá hủy khe hở, làm cho chúng trở thành điểm yếu trong cách điện điện. Do đó, cần tăng cường xem xét về khe hở, và hiểu rõ cường độ điện trường dưới điều kiện xung sét để thiết kế đúng cách các thành phần cách điện.

2.4.1 Kiểm soát cường độ điện trường của cách điện được tăng cường
Dựa trên điều kiện xây dựng dự án, công ty chúng tôi đã nghiên cứu hiện tượng phóng điện bề mặt cách điện, bao gồm ảnh hưởng của vật liệu cách điện, cấu trúc và điện tích bề mặt. Cũng cần tránh ô nhiễm bởi hạt kim loại. Cấu trúc hợp lý cho thiết bị cách điện khí siêu cao áp được đảm bảo bằng cách kết hợp khí SF₆, vật liệu cách điện và các thành phần nhúng. Nhờ kinh nghiệm thiết kế cách điện trước đây, cường độ điện trường trong quá trình vận hành có thể được giới hạn ở một nửa so với khoảng cách điện trường vận hành bình thường. Đối với thiết bị cách điện thuần túy bằng SF₆, áp suất khí vận hành có thể được duy trì ở mức 0.4–0.5 MPa.

Cường độ điện trường thẳng đứng (Eₛ) có thể được tính bằng:
Eₛ = 45.5p + 1.7,
trong đó p là áp suất khí. Do đó, tùy thuộc vào điện áp chịu đựng của thiết bị, cường độ điện trường thiết kế tại bề mặt thanh dẫn trung tâm có thể được kiểm soát trong phạm vi 19.9–24.5 kV/mm, trong khi cường độ điện trường bề mặt cách điện không được vượt quá 10 kV/mm. Đảm bảo rằng cách điện được nhúng bên trong điện trường ngăn chặn sự tăng đột ngột của điện trường dưới ảnh hưởng của siêu cao áp, giảm thiểu rủi ro hỏng cách điện và cho phép ứng dụng lâu dài của thiết bị truyền tải cách điện khí siêu cao áp trong dự án.

2.4.2 Thiết kế cách điện kiểu chảo được tối ưu hóa
Do địa hình phức tạp của dự án và nhu cầu mô phỏng điện trường, thiết kế cách điện kiểu chảo phải được cải thiện—đặc biệt là bằng cách bỏ đi điện cực che chắn. Cấu trúc này cho phép quan sát cường độ điện trường gần phía dây dẫn cao áp của cách điện. Nếu cường độ điện trường cao, giá trị tối đa trên bề mặt lồi được tìm thấy là 12.7 kV/mm và 13 kV/mm trên bề mặt lõm; vượt quá ngưỡng này chỉ ra hoạt động bất thường. Khi cường độ điện trường gần cách điện cao, điện áp vận hành tần số công suất tối đa nên được giữ dưới 3.4 kV/mm. Việc lắp đặt điện cực che chắn trên cách điện kiểu chảo giúp tối ưu hóa và mô phỏng điện trường.

Theo các phương pháp kết nối điện trước đây, kích thước của điện cực che chắn nên được kiểm soát cẩn thận, và đầu nối cắm điện nên được đặt ở rãnh của cách điện kiểu chảo để nhấn mạnh tác dụng che chắn của điện cực, từ đó cải thiện phân phối điện trường của thiết bị truyền tải cách điện khí siêu cao áp.

3. Kết luận
Để đáp ứng yêu cầu phát triển toàn diện của doanh nghiệp điện, công ty chúng tôi phải tiếp tục tăng cường nghiên cứu về thiết bị truyền tải cách điện khí siêu cao áp. Dựa trên điều kiện vận hành cụ thể, các vấn đề cần được phân tích và giải quyết thông qua các phương pháp như thiết lập mô hình điện trở tiếp xúc, xác minh ứng suất của busbar và dây dẫn, làm rõ đặc tính tiếp xúc điện khí, tối ưu hóa thiết kế khe hở điện trường, và thiết kế cách điện hợp lý—do đó kéo dài tuổi thọ của thiết bị.