kết quả mô phỏng bằng phần mềm ansys

Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG I 2
ẢNH HƯỞNG CỦA Ô NHIỄM TỚI CÁC ĐẶC TÍNH CÁCH ĐIỆN 2
1.1. Giới thiệu chung về cách điện của đường dây trên không 2
1.2. Ảnh hưởng của ô nhiễm tới các đặc tính cách điện 6
1.2.1. Hiện tượng phóng điện bề mặt trên cách điện sạch 7
1.2.2. Phóng điện bề mặt trên cách điện bị nhiễm bẩn và bị ướt 10
14
1.3. So sánh giữa phóng điện trên bề mặt cách điện bị nhiễm bẩn và phóng điện trên
cách điện sạch 20
1.4. Các thống kê về sự cố cắt điện do ô nhiễm môi trường đối với cách điện đường dây
trên không.[5] 20
1.4.1. Sự cố cắt điện tại công ty truyền tải điện 3 20
1.4.2. Sự cố cắt điện trên lưới điện 110 kV ở tỉnh Quảng Ninh 21
1.5. Kết luận 21
CHƯƠNG II 23
TÍNH TOÁN PHÂN BỐ ĐIỆN TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU
HẠN 23
2.1. Các phương pháp thường dùng trong tính toán phân bố điện áp và phân bố điện
trường 23
2.1.1Phương trình trường 23
2.1.2. Các phương pháp hiện có 24
2.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 31
2.3. Tại sao lại cần FEM 37
2.4. Giới thiệu về phần mềm ANSYS 38
CHƯƠNG III 41
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 41
3.1. Giới thiệu về cách điện mô phỏng 41
3.2.Trình tự tiến hành mô phỏng 45
2.2.1. Lựa chọn kiểu phân tích 45
3.2.2. Xây dựng mô hình hình học 45

3.2.3.Lựa chọn kiểu phần tử phân tích và thuộc tính vật liệu 45
3.2.4. Chia lưới cho mô hình 46
3.2.5. Đặt tải và điều kiện biên lên mô hình 46
3.2.6. Giải 47
3.2.7. Xử lý và hiển thị kết quả 47
3.3. Các kết quả mô phỏng 48
3.3.1.Cách điện trong không khí sạch 48
3.3.2. Ảnh hưởng của tính chất lớp ô nhiễm lên phân bố điện trường trên chuỗi
cách điện 54
3.3.3 Ảnh hưởng của độ dày lớp ô nhiễm lên phân bố điện trường trên chuỗi
cách điện 67
3.3.4. Ảnh hưởng của vùng khô lên phân bố điện trường 70
CHƯƠNG IV: 78
THỬ NGHIỆM CÁCH ĐIỆN VÀ THÍ NGHIỆM CHỨNG MINH MÔ PHỎNG 78
4.1.Tổng quan về phương pháp thử nghiệm – Lựa chọn phương pháp thử nghiệm phù
hợp 78
4.1.1. Giới thiệu về tiêu chuẩn IEC 60507 78
4.1.1.1.Phương pháp sương muối (SALT FOG METHOD.: 78
4.1.1.2.Phương pháp ”LỚP RẮN”(SOLID LAYER METHOD 81
4.2. Thiết bị thử nghiệm và qui cách thử nghiệm 88
1
Đồ án tốt nghiệp
4.2.1.Thiết bị thử nghiệm 88
4.2.2. Trình tự thử nghiệm 89
4.2.3. Kết quả thí nghiệm 90
4.3 Phần kết luận 90
Phần Kết luận và kiến nghị 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
CHƯƠNG I
ẢNH HƯỞNG CỦA Ô NHIỄM TỚI CÁC ĐẶC TÍNH CÁCH ĐIỆN

1.1. Giới thiệu chung về cách điện của đường dây trên không
Đường dây tải điện trên không đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống
truyền tải và phân phối điện năng. Các phần tử chủ yếu của đường dây trên
không là dây dẫn, dây chống sét, cột, cách điện và các phụ kiện.
Cách điện đường dây dùng để cách ly các dây dẫn của đường dây với cột.
Để đảm bảo cho đường dây làm việc bình thường, cách điện đường dây phải có
các đặc tính điện và cơ tốt. Cách điện đường dây được chế tạo từ sứ hay thủy
tinh nung. Dựa vào cấu trúc các cách điện được chia thành cách điện đứng và
cách điện treo.
Các cách điện đứng dùng cho đường dây điện áp đến 35kV. Đối với các
đường dây điện áp 6-10 kV và thấp hơn cách điện đứng chỉ có một phần tử, còn
trên đường dây 22-35 kV cách điện đứng có hai phần tử.

Hình 1-1: Các cách điện đứng
Đối với các cấp điện áp cao hơn, dây dẫn được treo trên chuỗi cách điện
nên khi làm việc cách điện ở trạng thái bị kéo và như vậy tận dụng được ưu
2
Đồ án tốt nghiệp
điểm sẵn có về độ bền cơ giới của cách điện. Cách điện treo được chia ra làm 2
loại: loại thanh và loại đĩa.
Cách điện treo kiểu thanh, thường được gọi là sứ thanh. Đó là thanh sứ dài
có lá, hai đầu có mũ kim loại, đường kính của thanh chọn theo độ bền khi kéo.
Cách điện thanh treo dùng cho các đường dây điện áp cao và siêu cao. Các ưu
điểm chính của cách điện thanh là độ bền điện và độ tin cậy cao, nhẹ và rẻ tiền.
Tuy vậy nó cũng có một số nhược điểm là công nghệ chế tạo đòi hỏi kỹ thuật
hiện đại phức tạp, khi sứ thanh bị hư hỏng phải thay thế toàn bộ, việc vận
chuyển - lắp đặt – thay thế khi vận hành sứ thanh rất phức tạp.
Hình 1-2: Cách điện thanh
Cách điện treo kiểu bát được sử dụng phổ biến nhất cho các đường dây trên
không điện áp 35kV và cao hơn. Chuỗi cách điện gồm có nhiều cách điện kiểu

bát, số lượng cách điện trong chuỗi phụ thuộc vào điện áp đường dây. Đối với
đường dây 35 kV trong chuỗi có 2-3 cách điện, đường dây 110 kV có 6-7 cách
điện, đường dây 220 kV có 12-14 cách điện [1].
Cách điện đĩa của đường dây gồm có: thành phần điện môi, bộ phận kim
loại (làm mũ và chân) và vật liệu gắn kết giữa điện môi với bộ phận kim loại.
Điện môi sử dụng để chế tạo cách điện của các đường dây tải điện trên không
phải có đặc tính cơ giới cao vì chúng là các phần tử phải chịu các tải trọng cơ
học rất lớn. Các cách điện của đường dây truyền tải điện phải chịu tác động của
tải trọng của dây dẫn hàng tấn, đôi khi đến hàng chục tấn. Điện môi cũng phải
có độ bền cách điện cao, cho phép chế tạo các cách điện có độ tin cậy làm việc
3
Đồ án tốt nghiệp
cao và kinh tế. Chúng cũng phải là những vật liệu không hút ẩm và không biến
tính dưới tác động của các yếu tố khí hậu.

Hình 1-3: Một số loại cách điện đĩa thường dùng
Chúng ta thường sử dụng những loại cách điện dùng điện môi bằng sứ hoặc
thủy tinh vì cách điện chế tạo bằng sứ hoặc thủy tinh có cường độ cách điện cao,
độ bền cơ giới lớn và chịu đựng được các tác động của môi trường khí quyển.
Cường độ cách điện của sứ trong điện trường đồng nhất chiều dày của mẫu
sứ 1,5mm có thể đạt tới 30- 40 kV/mm. Khi độ dày tăng, cường độ cách điện có
giảm và nếu là điện trường không đồng nhất thi nó còn giảm nhiều hơn nữa. Độ
bền điện của thuỷ tinh trong điều kiện tương tự đạt 45 kV/mm. Cường độ cách
điện xung kích của sứ cao hơn so với trị số xoay chiều khoảng 50 - 70%.[2]
Độ bền cơ giới của sứ và thuỷ tinh phụ thuộc vào dạng tải trọng cơ giới. Sứ
làm việc rất tốt khi bị nén khi bị uốn thì kém hơn và đặc biệt là khi bị kéo thì
càng kém. Độ bền cơ giới của các mẫu sứ đường kính 2-3 mm đạt 450 MPa khi
nén, 70 MPa khi uốn nhưng chỉ còn 30 MPa khi kéo.
Bảng 1-1: Các đặc tính điện và cơ của các loại điện môi sứ và thuỷ tinh.
[2]

Đặc tính Sứ Thuỷ tinh
Sø c¸ch
®iÖn
truyÒn
thèng
Sø c¸ch
®iÖn nhiÒu
nh«m
StÐatit
e
Sodo-
calciqu
e
Sodo-
calcique
postasiq
ue
Boro-
silicate
4
ỏn tt nghip
Điện trở suất mặt
Hằng số điện môi 25
o
C,
50Hz
6 7,5 6,1 7,5 7,3 5,3
tg , 25
o
C, 50Hz

0,01 0,095 0,002 0,015 0,013 0,04
Điện trở suất 25
o
C, 50Hz,
(.cm)
10
13
10
13
10
14
10
12,5
10
13
10
14
Cờng độ cách điện của
mẫu 25
o
C, 50Hz (kV/cm)
170 160 180 230 250 290
Khối lợng riêng (g/cm
3
) 2,4 2,8 2,7 2,5 2,2
Độ bền kéo (daN/mm
2
) 3 6 4,5 2 10 4,5
Module đàn hồi
(daN/mm

2
)
7700 10700 10000 7400 7200 6700
Hệ số giãn nở nhiệt 5,5.10
-6
6,5.10
-6
7,5.10
-6
9.10
-6
9,1.10
-6
3,2.10
-6
Nhiệt dẫn 100
o
C
(cal/cm.s.
o
C)
0,004 0,007 0,006 0,0025 0,0025 0,0025
Bng 1-2: Kớch thc v c tớnh ca cỏch in a. [2]
Loại cách
điện
Kích thớc
Chiều
dài đ-
Hệ số
sử

Điện áp
xuất
C
ờng độ
điện tr-
Ghi chú
H, mm D, mm
6-B
140 270 324 1,1 35 2,5 Sứ
16-A
173 280 365 1,2 - 2,4
20-A
194 350 420 1,1 - 2,4
C6-A
130 255 155 1,0 28 2,6 Thuỷ tinh
C12-A
140 260 325 1,2 35 2,3
C16-B
170 280 387 1,2 40 2,3
C22-A
200 320 390 1,1 40 2,3
C30-A
190 320 425 1,1 45 2,0
C40-A
190 330 445 1,1 50 2,0
5-A
194 250 450 - - -
vùng ô nhiễm
cao
6-A

198 270 455
8-A
214 300 470
C16-A
160 320 480
C22-A
185 370 570
5
ỏn tt nghip
- là ký hiệu của loại cách điện treo sứ; C- là ký hiệu của loại cách
điện thuỷ tinh treo
- cách điện dùng trong vùng ô nhiễm cao
Trong nhng nm gn õy cỏc cỏch in cũn c ch to t cỏc vt liu
mi l nha epoxy v polyster. S dng cỏc vt liu ny cho phộp gii quyt n
gin cỏc vn v hỡnh dỏng, cu trỳc v bn ca cỏch in. Tuy nhiờn, cỏch
in bng s v thy tinh vn c ỏp dng rng rói vỡ r tin hn nhiu trong
khi cỏc c tớnh v in v c gii khụng b sỳt kộm (thng kờ v tỡnh hỡnh s
dng cỏch in Vit Nam).
1.2. nh hng ca ụ nhim ti cỏc c tớnh cỏch in
Khi ng dõy i qua nhng vựng cú bi bn dn in nh: vựng cụng
nghip húa cht, luyn kim, khai thỏc m, vựng duyờn hithỡ cỏch in ca
ng dõy b suy gim rt nhiu, ti nhng vựng ny thng xuyờn xy ra hin
tng phúng in trờn cỏch in, gõy ra cỏc s c mt in, h hng cỏch in,
gõy thit hi kinh t cho vic vn hnh li in.
vn hnh an ton ngi ta phi dựng cỏc cỏch in c bit cỏch in
dựng cho vựng ụ nhim. Ngoi kt cu v chng loi in mụi nh cỏch in
bỡnh thng, thỡ chỳng cú sut chiu di ng rũ (l chiu di rũ in ng vi
1kV in ỏp ng dõy) ln hn nhiu so vi cỏch in bỡnh thng (i vi
loi thng chiu di rũ in khong 1,5 cm/kV cũn loi c bit chiu di
ny khụng bộ hn 2,25 cm/kV).[2]

6
Đồ án tốt nghiệp
a): Dùng cho cột néo
b) và c): Dùng cho cột trung gian
Hình 1-4: Một số loại cách điện đĩa dùng cho vùng ô nhiễm.
Nguyên nhân gây ra phóng điện là do lớp nhiễm bẩn trên bề mặt cách điện
có khả năng dẫn điện từ đó làm xuất hiện những vùng có điện trường lớn gây ra
phóng điện cục bộ từ đó phát triển thành phóng điện toàn phần
Ta đi phân tích nguyên nhân gây ra hiện tượng phóng điện trên bề mặt cách
điện .
1.2.1. Hiện tượng phóng điện bề mặt trên cách điện sạch
Cách điện của đường dây 35 kV quan trọng và của các đường dây điện áp
cao hơn thường được thực hiện bằng chuỗi gồm nhiều đĩa cách điện. Số đĩa
nhiều ít tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng cấp điện áp. Dọc theo đường dây, ở các
cột trung gian chuỗi cách điện đặt theo đường thẳng còn ở các cột néo được đặt
hầu như nằm ngang và chịu lực căng của dây dẫn.
Về điện áp phóng điện không thể tính toán đơn giản bằng cách lấy điện áp
phóng điện của từng đĩa đem nhân với số đĩa trong chuỗi mà cần phải xét đến sự
phân bố điện áp và đặc điển của quá trình phóng điện dọc theo chuỗi. Quá trình
này có thể phát triển theo một trong ba đường:[2]
7
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-5: Quá trình phóng điện dọc chuỗi cách điện
• Hoàn toàn dọc theo bề mặt cách đìện tức là theo đường CBA hoặc CBA1
• Theo đường CBD với chiều dài phóng điện n.lp (n là số đĩa trong chuỗi).
• Theo đường ngắn nhất EF mà chiều dài của nó gần bằng trị số L=nH.
Cường độ cách điện theo đường EF thực tế bằng cường độ cách điện của
khe hở khí giữa điện cực thanh - thanh do đó thường có trị số cao hơn so với
cường độ cách điện theo đường CBD (tuy có nhiều dài phóng điện dài hơn
nhưng do có một phần đi men theo mặt ngoài của điện môi nên điện áp phóng

điện bé). Đó cũng là giới hạn trên của trị số điện áp phóng điện của chuỗi và suy
ra biện pháp nâng cao điện áp phóng điện là phải tăng tỷ số lp/H sao cho cường
độ cách điện theo đường CBD đạt được mức của đường EF. Thực nghiệm cho
thấy khi tỷ số lp/H bằng khoảng 1,3 thì có thể đạt được yêu cầu trên và trong sản
xuất tỷ số này thường chọn trang giới hạn 1,15-1,35.[2]
D
B
L
F
D
l
p
C
E
H
A
A
1
8
Đồ án tốt nghiệp
Sự phân bố điên áp trên các đĩa của chuỗi cách điện cũng ảnh hưởng đến trị
số điện áp phóng điện
Hình 1-6: Sơ đồ thay thế chuỗi cách điện
• C - điện dung của từng đĩa cách điện.
• C1- điện dung của từng đĩa cách điện đối với các phần tử nối đất.
• C2 - điện dung của từng đĩa cách điện đối với dây dẫn, trị số của
chúng phụ thuộc vào vị trị của từng đĩa trong chuỗi.
Nếu như điện dung tổng của chuỗi cách điện C
Σ
=C/n (trong đó n là số đĩa

trong chuỗi) lớn hơn rất nhiều so với các điện dung C1 và C2 thì phân bố điện
áp dọc theo chuỗi cách điện gần như đồng đều.
Từ sơ đồ thay thế chuỗi sứ, ta thấy nguyên nhân làm cho điện áp phân bố
không đều là do ảnh hưởng của điện dung ký sinh C1, C2. Chúng có các ảnh
hưởng ngược nhau đối với sự phân bố điện áp giáng trên đĩa cách điện: nếu chỉ
xét riêng tác dụng của điện dung C1 thì điện áp giáng trên đĩa cách điện càng ở
xa dây dẫn càng bé đi và ngược lại nếu chỉ xét riêng tác dụng của C2 thì điện áp
giáng lại có chiều hướng tăng khi cách điện ở xa dây dẫn.
9
Đồ án tốt nghiệp
Do ảnh hưởng của các điện dung ký sinh làm cho phân bố điện áp trên từng
phần tử của chuỗi không đồng đều. Điện áp đặt lên phần tử gần dây dẫn nhất là
lớn nhất, vì vậy điện trường trong khu vực xung quanh của phần tử này cũng lớn
nhất. Nếu trị số điện trường ở khu vực này lớn hơn điện trường phát sinh vầng
quang của không khí, vầng quang sẽ phát sinh và có thể gây phóng điện bề mặt
trên chuỗi cách điện. Trong các trường hợp đó phải tiến hành các biện pháp
nhằm cải thiện sự phân bố đìện áp trền chuỗi cách điện.
1.2.2. Phóng điện bề mặt trên cách điện bị nhiễm bẩn và bị ướt
a) Ảnh hưởng của ô nhiễm tới phân bố điện áp [3]
Như phần trên đã phân tích trong trường hợp cách điện sạch thì phân bố
điện áp dọc theo chuỗi cách điện phụ thuộc vào điện dung của từng phần tử và
điện dung ký sinh. Nhưng khi cách điện bị nhiễm bẩn thì sự phân bố điện áp này
lại phụ thuộc rất nhiều vào mức độ ô nhiễm.
Thật vậy, xét một đoạn nhỏ
L
δ
trên chiều dài của cách điện ở bán kính r, có
một lớp dẫn điện trên bề mặt như hình vẽ:
Hình 1-7: Một phần cách điện bị nhiễm bẩn
• Cách điện có hằng số điện môi

r
ε
;
• Lớp ô nhiễm có chiều dày d << r , và có điện dẫn suất khối là
Φ
v
,
10
Đồ án tốt nghiệp
Có thể thay thế cho phần cách điện bị nhiễm bẩn này bằng một mạch điện
thay thế như sau:
Hình 1-8: Mạch điện thay thế
Trong mạch điện thay thế trên thì điện trở, R lớp ô nhiễm giữa mặt trên và
mặt dưới được tính như sau:
r
L
dr
L
R
S
L
R
SV
.2 2.
.
π
δ
π
δ
ρ

Φ
=
Φ
=⇒=
(1.1)
Với
Φ
S
=
Φ
v
.d là suất dẫn điện bề mặt
Và điện dung, C được tính là :
L
r
C
r
δ
πεε
2
0

=
(1.2)
Ở tần số dòng điện là f thì dung kháng của tụ điện, X
c
là :
Cf
X
c

2
1
π
=
(1.3)
Như vậy ta có tỷ lệ giữa X
c
và R là :
rfRfCR
X
r
Sc
2
1
0
εεππ
Φ
==
(1.4)
Với các giá trị trung bình của cách điện đĩa ( r = 10 cm = 0,1m;
Φ
S
= 14,5
S
µ
;
6=
r
ε
;

)(10.85,8
112
0
−−
= Fm
ε
(
0
ε
: hằng số điện môi chân không ); f = 50 Hz
( tần số dòng điện công nghiệp). Ta thu được tỷ lệ là 1,74.10
4
, điều này có nghĩa
là ở tần số 50 Hz thì điện trở của lớp ô nhiễm dẫn điện trên bề mặt của cách điện
11
Đồ án tốt nghiệp
luôn rất nhỏ so với dung kháng của cách điện đó, vì vậy sự phân bố điện áp dọc
bề mặt cách điện phụ thuộc rất nhiều vào mức độ dẫn điện của lớp ô nhiễm.
Như vậy khi cách điện bị nhiễm bẩn thì phân bố thế trên bề mặt của nó phụ
thuộc rất nhiều vào tình trạng ô nhiễm và ít bị ảnh hưởng của các loại điện dung
trên cách điện đó, độ ô nhiễm càng lớn, mức độ che phủ bề mặt cách điện của ô
nhiễm càng cao, và điện dẫn của lớp ô nhiễm càng lớn thì phân bố điện áp sẽ
thay đổi rất mạnh so với khi không bị ô nhiễm
b) Hiện tượng phóng điện bề mặt trên cách điện bẩn
Trong môi trường tự nhiên, cách điện vận hành trực tiếp chịu ảnh hưởng
bởi môi trường không khí như bụi than, muối, bụi đất, SO
2
…, nó dần hình thành
một lớp nhiễm bẩn trên bề mặt cách điện. Nếu lớp bụi này khô ráo, nó có điện
trở rất cao và không gây ảnh hưởng đáng kể đến điện áp phóng điện, điện thế

phóng điện gần với điện thế phóng điện trong trạng thái khô, sạch.
Khi trời ẩm, có sương hoặc có mưa nhỏ… chất nhiễm bẩn trên bề mặt cách
điện hấp thụ nước làm cho chất điện phân trong lớp ô nhiễm phân rã và ion hóa,
làm tăng điện dẫn của lớp này hình thành lớp dẫn điện, lúc đó dòng rò trên bề
mặt cách điện tăng lên. Vì hình dạng, cấu trúc, kết cấu của cách điện khác nhau
cũng như sự phân bố của lớp bẩn trên bề mặt cách điện không đồng đều nên
điện trở của nó luôn thay đổi và mật độ dòng rò ở các vị trí khác nhau cũng thay
đổi. Dòng điện rò lớn đốt nóng bề mặt, sự phát nóng càng mãnh liệt tại những
chỗ mà điện trở trên đơn vị dài dọc theo đường phóng điện có trị số lớn. Ở
những nơi này mặt ngoài được sấy khô (hình thành vùng khô), điện trở tăng
đồng thời cũng sẽ chịu phần điện áp giáng lớn tạo điều kiện cho trường tăng cục
bộ. Khi điện cường độ điện trường đủ mạnh sẽ gây ra phóng điện cục bộ làm
cho dòng điện rò tổng tăng lên (chiều dài rò điện được rút ngắn vì những nơi có
phóng điện cục bộ coi như ngắn mạch).
Quá trình tiếp theo diễn biến tương tự, phần đoạn đường còn lại tiếp tục
được sấy khô và cũng xuất hiện phóng điện cục bộ. Khi tăng điện áp thì phóng
12
Đồ án tốt nghiệp
điện cục bộ xuất hiện càng nhiều và có thể xảy ra cùng một lúc tại nhiều chỗ
khác nhau trên bề mặt cách điện, và khi mà các vùng có phóng điện này được
nối liền với nhau thì sẽ dẫn đến phóng điện hoàn toàn. Quá trình phóng điện này
diễn ra tương đối chậm, không liên tục nên phụ thuộc vào thời gian tác động của
điện áp.
Khi mặt ngoài điện môi bị ướt (do mưa) thì phần trên của cách điện bị ướt,
phần dưới ít bị ướt hơn nên phải chịu phần điện áp giáng lớn có thể xảy ra
phóng điện trên bề mặt.
c) Các giá trị tới hạn để phát sinh phóng điện trên bề mặt cách điện bị
nhiễm bẩn (V
c
; E

c
; I
c
; S
c
)
Trong phần này ta đi tìm các giá trị: Điện áp phóng điện tới hạn V
c
; cường
độ điện trường tới hạn E
c
; dòng điện rò tới hạn I
c
; là các giá trị mà khi đạt tới nó
sẽ xuất hiện phóng điện bề mặt.
Obenaus [4] là người đầu tiên phân tích hiện tượng phóng điện trên bề mặt
cách điện bị ô nhiễm. Ông cho rằng chính sự tương tác lẫn nhau giữa tính chất
“điện trở âm” của hồ quang ( negative arc resistance ) của phóng điện
cục bộ và điện trở đặc trưng cho lớp bẩn đã làm cho điện áp phóng điện bề mặt
giảm thấp.
Hồ quang điện là một dạng phóng điện tự duy trì. Đặc tính “ điện trở âm”
là một tính chất quan trọng của hồ quang điện, nó có ý nghĩa là : “Trong khi
dòng điện hồ quang tăng lên thì điện áp của nó lại giảm đi ”.
Xét một lớp ô nhiễm dẫn điện trên cách điện có một vùng đã xảy ra phóng
điện hồ quang cục bộ. Bây giờ ta đi tìm điều kiện để xảy ra phóng điện trên
toàn miền ô nhiễm đó.
Sơ đồ mô tả hiện tượng như sau:
13
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-9: Mô hình phóng điện với nguồn điện một chiều

Điện áp hồ quang được tính theo công thức sau :
a
aa
IXAV
−
=
hay
XkX
aa
.=
(1.5)
Trong đó :
V
s
: điện áp đặt lên cách điện
V
a
: điện áp hồ quang
A , a : là các hằng số hồ quang .
X : chiều dài vùng khô
X
a
: chiều dài hồ quang
k
a
: hệ số chiều dài hồ quang 0 < k
a
< 1
L : chiều dài đường bò ( creepage length)
I : dòng điện rò (A).

Như vậy theo định luật KiếcHốp điện áp đặt lên toàn bộ mạch điện là
V
s
= V
a
+ R(X).I (1.6)
14
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-10: Mô hình mạch KiếcHốp thay thế
Với mối quan hệ giữa điện trở của lớp dẫn điện và chiều dài vùng khô
R(X) = r
pu
.( L – X ) (1.7)
r
pu
: giá trị điện trở trung bình trên một đơn vị chiều dài
Để minh họa cho điều kiện gây ra phóng điện bề mặt ta lấy một vài giá trị
các thông số cụ thể để tính toán như sau: L = 100 mm, r
pu
= 100
mm/
Ω
, A = 6.3
và a = 0,76; thay vào (1.7) (1.6) và (1.5) ta vẽ được các quan hệ như hình sau:
Khi chiều dài hồ quang X = 67 mm ta được quan hệ V-I theo phương trình
(1.6)
15
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-11a: Quan hệ V-I theo phương trình (1.6) ứng với X= 67 mm
Nhận xét: Hình 1-11a mối quan hệ V

s
-I cho thấy luôn tồn tại một giá trị
điện áp nhỏ nhất là, V
1
. Nếu điện áp nguồn V
s
nhỏ hơn giá trị này thì không thể
tồn tại hồ quang.
Bây giờ ta thay đổi chiều dài của hồ quang (nếu xảy ra) lần lượt là (X=30,
50, 67, 90mm) ta vẽ được mối quan hệ giữa V
s
và I khi X thay đổi như sau.
16
V
1
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-11b: Điện áp nguồn cần thiết ứng với chiều dài hồ quang thay
đổi
Hình 1-11b cho ta thấy các đường cong phụ thuộc giữa điện áp nguồn cần
thiết để tồn tại được hồ quang với dòng điện rò.
Nhận xét: V
1
khác nhau với mỗi giá trị của X và đạt giá trị lớn nhất, gọi là
giá trị điện áp tới hạn V
c
, xuất hiện khi X = 30. Từ đó ta dễ nhận thấy nếu V
s
>
V
c

thì hồ quang duy trì có thể tồn tại với mọi giá trị X, điều này có nghĩa là khi
hồ quang sẽ bắc cầu trong toàn bộ chiều dài cách điện đó chính là hiện tượng
phóng điện bề mặt.
Bây giờ ta đi tính các giá trị tới hạn này.
17
I
c
V
c
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1-7: Mô hình cách điện hình trụ bị ô nhiễm
Giả sử

Φ
s
: suất dẫn điện bề mặt ( µS).

Φ
v
: suất dẫn điên khối (đơn vị S/m)
d :chiều dày của lớp dẫn điện đó (đơn vị m) thì mối liên hệ giữa r
pu
và
Φ
s
với mô hình đồng nhất hình trụ bán kính r là :
V
Pu
dr
r

Φ
=
2
1
π
=
s
r Φ 2
1
π
(1.8)
đối với cách điện thực tế thì :
L
F
r
s
Pu
.Φ
=
(1.9)
với F: là hệ số hình dạng .
ds
sr
F
L
O
∫
=
)(.2
1

π

và r(s) là bán kính tại vị trí s trên chiều dài cùa cách điện .
Bây giờ ta thay (1.9) (1.7) và (1.5) vào (1.6) ta có:
S
a
a
L
FIXL
IXkAV
Φ
−
+=
−
.
.).(

(1.10)
Phân tích mối quan hệ giữa V, I , X và
S
Φ
thấy rằng I và X tăng nhanh
mãnh liệt khi điều kiện tới hạn sau được thoả mãn.:
L
AkS
F
a
a
a
a

C
s
1
1
)(
.)
817
(
+
=Φ
(1.11)
V
L.817
V.3
L.21000
S
C
==
(1.12)
S
c
: là suất chiều dài đường bò ( mm/kV )
Khi phân tích điều kiện để xảy ra phóng điện Alston[ [4]đã chỉ ra cường độ
điện trường tới hạn để có thể xảy ra phóng điện là :
11
1
.
++
=
a

a
Pu
a
c
rAE
(1.13)
Trong đó :
18
Đồ án tốt nghiệp

L
V
E
c
C
=
và V
c
là giá trị điện áp nguồn tới hạn để xảy ra phóng điện
Giá trị này xuất hiện khi hồ quang có chiều dài là
X
c
=
1+a
L
(1.14)
tương ứng với dòng điện tới hạn là :
1
1
+









=
a
Pu
C
r
A
I
(1.15)
Các hằng số hồ quang tính được bằng thực nghiệm A = 6,3 và a = 0,76
Từ đó ta có :
43,0
.85,2
PuC
rE =
(1.16)
Theo IEC Guide[IEC1986] tuỳ thuộc vào mức độ ô nhiễm mà giá trị của
giá trị này thay đổi
Bảng 1-3: Cường độ điện trường tới hạn để có thể xảy ra phóng điện[4]
Cấp độ ô nhiễm
Mật độ muối
(mg/cm
2

)
Theo tiêu chuẩn
IEC - 60815
Suất chiều dài
đường bò nhỏ
nhất, S
c
(mm/kV)
Cường độ điện
trường tới hạn, E
c
(kV/m)
I (Nhẹ)
06,0≤
16 36
II (Trung
bình)
0,06 - 0,1 20 29
III (Nặng) 0,1- 0,25 25 23
IV ( Rất nặng) >0,25 – 0,35 31 19
Kết luận : Qua sự phân tích ở trên ta thấy rằng lớp ô nhiễm trên bề mặt
của cách điện có ảnh hưởng rất lớn tới cách điện của đường dây. Ở điều kiện áp
suất tiêu chuẩn cường độ điện trường để xảy ra phóng điện chọc thủng của
không khí trong điều kiện trường đồng nhất khoảng 3kV/mm. Còn khi trường
không đồng nhất giá trị này chỉ còn khoảng 1kV/mm. Khi cách điện bị ô nhiễm
điện trường trên bề mặt cách điện trở lên rất không đồng nhất tại một số vùng.
19
Đồ án tốt nghiệp
Điện trường tại những vùng này có thể vượt qua giá trị tới hạn làm xuất hiện
phóng điện trên toàn bộ bề mặt lớp ô nhiễm.

1.3. So sánh giữa phóng điện trên bề mặt cách điện bị nhiễm bẩn và
phóng điện trên cách điện sạch
• Điện áp phóng điện thấp hơn nhiều
• Quá trình phóng điện toàn phần diễn ra chậm hơn
• Dòng điện lớn hơn và diễn biến phức tạp trong suốt quá trình phóng
điện.
1.4. Các thống kê về sự cố cắt điện do ô nhiễm môi trường đối với
cách điện đường dây trên không.[5]
1.4.1. Sự cố cắt điện tại công ty truyền tải điện 3.
Đường dây tải điện do Công ty truyền tải điện 3 quản lý hầu hết đi qua
vùng ven biển nhiễm mặn, các khu công nghiệp có khói bụi bẩn, vùng cao
nguyên có nhiều sương mù, đất bazan bốc lên bám vào phụ kiện đường dây,
cách điện bị suy giảm. Theo báo cáo của Công ty truyền tải điện 3, trong 5 tháng
đầu năm 2004 suất sự cố do phóng điện bề mặt là 0,69
lần/100/km/năm.
Bảng 1-4: Sự cố 5 tháng đầu năm 2004 của công ty Điện lực 3
Stt Nguyên nhân sự cố
Số vụ sự cố trong tháng.
1 2 3 4 5 Tổng
1 Do sét 0 0 0 0 6 6
2
Phóng điện trên bề mặt cách
điện
0 2 2 4 3 11
3 Nguyên nhân khách quan 3 1 2 4 3 10
4 Không rõ nguyên nhân 1 3 0 0 2 6
Tổng 4 6 4 8 14 33
% phóng điện trên bề mặt cách
điện
33 50 50 21 33

20
Đồ án tốt nghiệp
1.4.2. Sự cố cắt điện trên lưới điện 110 kV ở tỉnh Quảng Ninh
Lưới điện 110kV ở Quảng Ninh dài 725 km gồm 5 đường dây 110 kV
được liên kết bởi các nhà máy nhiệt điện và trạm biến áp: Uông Bí, Hoành Bồ,
Mông Dương, Tiên Yên và Móng Cái, chạy dài dọc địa hình của tỉnh.
Địa hình nơi các đường dây đi qua rất đa dạng, gồm các vùng đồng bằng,
vùng duyên hải, vùng đồi núi và các khu công nghiệp khai thác và chế biến than,
công nghiệp nhiệt điện, hóa chất, xi măng. Sự phát triển của các ngành công
nghiệp này luôn đi kèm theo là hiện tượng ô nhiễm không khí. Hậu quả là cách
điện của các thiết bị cũng bị nhiễm bẩn, mức cách điện bị suy giảm. Tác động
nguy hiểm đối với cách điện là các loại bụi có chứa Silic và Ôxit sắt, loại bụi
này có thể gây nối tắt cách điện, làm bẩn bề mặt, tăng quá trình han rỉ các cấu
trúc kim loại. Đối với cách điện bị nhiễm bẩn dạng bụi, hóa chất, sương muối…
khi điều kiện khí hậu không thuận lợi sẽ gây lên hiện tượng nối tắt từng phần
hoặc toàn bộ chiều dài đường rò điện của cách điện. Và hậu quả là phóng điện
qua bề mặt cách điện, tăng suất cắt điện.
Tình hình vận hành đường dây 110 kV những năm qua vẫn bị sự cố nhiều
mặc dù Điện lực Quảng Ninh đã cố gắng khắc phục các hiện tượng trên.
Bảng 1-5: Suất cắt điện do nhiễm bẩn và sét trên 100 km đường dây
Năm
Do cách điện
nhiễm bẩn
Do sét
Do các nguyên
nhân khác
2003 0,23 0,75 0,02
2004 0,26 0,71 0,03
2005 0,18 0,8 0,02
1.5. Kết luận

Môi trường ô nhiễm có ảnh hưởng xấu đối với cách điện. Trong khi phần
lớn lưới điện phân phối 35KV và 110KV của nước ta là các đường dây trên
không và có nhiều đường đi qua những vùng bụi bẩn, ẩm, sương muối…làm
21
Đồ án tốt nghiệp
phát sinh vầng quang, phóng điện , gây tổn hao và mất điện. Gây ảnh hưởng đến
việc vận hành kinh tế đường dây.
Qua các phân tích trên việc tính toán sự phân bố điện áp, cường độ điện
trường, dòng điện rò…trên các cách điện đó là yếu tố cần được quan tâm giúp ta
đánh giá được thực trạng của cách điện, các yếu tố ảnh hưởng, phân tích nguyên
nhân từ đó đưa ra biện pháp để khắc phục và hạn chế các hiện tượng đó.
22
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG II
TÍNH TOÁN PHÂN BỐ ĐIỆN TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN
TỬ HỮU HẠN
2.1. Các phương pháp thường dùng trong tính toán phân bố điện
áp và phân bố điện trường
Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần thiết phải tính toán được phân bố
điện áp và điện trường trên chuỗi cách điện. Ta biết rằng mọi quá trình điện từ
xảy ra đều tuân theo hệ phương trình Maxwell. Đây là các phương trình đạo
hàm riêng đối với cường độ điện trường E và cường độ từ trường H, phân bố
trong không gian và diễn biến theo thời gian. Để giải quyêt lớp bài toán này ta
phải sử dụng công cụ phương trình vật lý- toán.[6] Công việc này rất khó khăn
và mức độ khó khăn tăng gấp bội khi bờ của bài toán nghiên cứu có hình dáng
phức tạp bất kỳ.
2.1.1 Phương trình trường.
Để nghiên cứu điện thế và điện trường phân bố trên chuỗi cách điện ta sử
dụng mô hình điện trừơng tĩnh trong điện môi.
Phương trình của trường là.

0=
∂
∂
→
t
E
;
0=×∇
→
E
;
ρ
=∇
→
D.
;
→→
= ED
ε
(2.1)
Với :

→
E
- vectơ cường độ điện trường
→
D
- véctơ cảm ứng điện
ρ
- mật độ điện tích khối

ε
- hằng số điện môi
z
k
y
j
x
i
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=∇
→→→
là toán tử đạo hàm vectơ
Vì trường tĩnh nên
0=
∂
∂
t
ϕ
( φ – điện thế vô hướng ) nên ta đặt :
ϕ
∇−=
→
E

23
Đồ án tốt nghiệp
Từ đó rút ra :
Phương trình Poisson trong miền có mật độ điện tích khối ρ
ε
ρ
ϕ
−=∇
2
(2.2)
Phương trình Laplace trong miền không có mật độ điện tích ρ= 0
0
2
=∇
ϕ
(2.3)
Trong hệ toạ độ vuông góc :
zyx
2
2
2
2
2
2
2
∂
∂
+
∂
∂

+
∂
∂
=∇
ϕϕϕ
ϕ
Giải các mô hình (1)hoặc(2) ta có φ , từ đó tính được E và các đại lượng
khác:
)(
z
k
y
j
x
iE
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
−=∇−=
→→→→
ϕϕϕ
ϕ
Kết hợp với điều kiện biên và điều kiện bờ ta sẽ được nghiêm duy nhất của
bài toán
2.1.2. Các phương pháp hiện có.

Mô hình mà ta nghiên cứu là :





−
=∇
ε
ρ
ϕ
0
2
(2.4)
Để giải quyêt bài toán trên, hiện nay người ta sử dụng phương pháp giải
tích và các phương pháp số.
a) Phương pháp giải tích:
Phương pháp giải tích được sử dụng nhiều là phương pháp phân ly biến số.
thực chất của phương pháp phân ly biến số là ta giả thiết nghiệm là tích của các
hàm chỉ phụ thuộc một biến số.
Trong hệ tọa độ vuông góc giả thiết hàm thế φ là tích của ba hàm X
(x)
;Y
(y)
;
Z
(z)
. là các hàm tương ứng của các biến số x ; y; z .
)()()(),,(

zyxzyx
ZYX=
ϕ
24
Đồ án tốt nghiệp
Cũng giả thiết như vậy với các thành phần của
→
E
giả sử thành phần E
x
:
)()()(),,(

zyxzyxx
ZYXE =
Thay thế các nghiệm đã giả thiết vào mô hình trên sẽ dẫn ra các phương
trình có một biến số, việc giải các phương trình có một ẩn sẽ đơn giản hơn
Phương pháp này có ưu điểm là tìm được nghiệm tường minh thuận lợi cho
việc phân tích ,giải thích hiện tượng xảy ra,và tính toán các đại lượng dẫn xuất
Nhưng thực tế khi điều kiện bờ phức tạp, miền phi tuyến, hình dạng đối
tượng phức tạp…thì việc giải bằng giải tích sẽ rất phức tạp và không thể thực
hiện được
b) Phương pháp số.
Trong những năm gần đây để giải phương trình Poisson và Lapláce trong
các điều kiện bờ và biên phức tạp người ta thường sử dụng các phương pháp
số.Tuỳ thuộc vào mức độ khó dễ của các điều kiện bờ mà người ta sử dụng
phương pháp thích hợp. Có 3 phương pháp số chính là: phương pháp sai phân
hữu hạn (FDM), phương pháp mô phỏng điện tích (CSM) và phương pháp phần
tử hữu hạn (FEM).
Phương pháp sai phân hữu hạn

Xét một vùng điện trường trong mặt phẳng Oxy thoả mãn phương trình
Poisson và Laplace và đã biết được điện thế nhờ các điều kiện biên và bờ của
bài toán, các giá trị này cho ta biết được thông tin về điện thế của một số hữu
hạn nút ban đầu của quá trình tính toán.
25