Chương 1.Giới thiệu Chương 3: Thí nghiệm phóng điện Chương này trình bày các thí nghiệm thực tế được tiến hành trong luận văn bao gồm: giới thiệu chung, cách tiến hành và kết quả thí nghiệm phóng điện trên bề mặt mẫu vật liệu chuẩn và khiếm khuyết. Từ đó rút ra được kết luận rằng nếu bề mặt cách điện có xuất hiện khiếm khuyết thì sự cố phóng điện sẽ dễ dàng xuất hiện hơn so với nguyên thể cấu trúc cáp ban đầu. Chương 4: Mô phỏng điện trường Giới thiệu phần mềm dùng để mô phỏng trong đề tài đó là ANSYS Maxwell. Trình bày chi tiết về cách sử dụng phần mềm, phương pháp mô phỏng, mục đích và kết quả thu được thông qua hình ảnh, đồ thị trực quan từ phần mềm và bảng số liệu.
Từ đó rút ra nhận xét và kết quả của đề tài nghiên cứu. Chương 5: Kết luận Căn cứ vào kết quả chính của nghiên cứu để đưa ra các kết luận trong mối liên hệ với mục tiêu của nghiên cứu. Cùng với đó là các kiến nghị phổ biến phần mềm ANSYS Maxwell cho sinh viên Đại học Cần Thơ và các đối tượng liên quan với lĩnh vực của đề tài và đề xuất đề tài cho các nghiên cứu tiếp theo. SVTH: Võ Dương Tiển 3 Chương 2.
Tổng quan về điện trường và cáp ngầm trung thế CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TRƯỜNG VÀ CÁP NGẦM TRUNG THẾ 2. Lược khảo tài liệu Ngành điện là một trong những ngành công nghiệp cơ sở quan trọng nhất đối với bất kỳ quốc gia nào, đặc biệt là trong những nước đang phát triển như nước ta. Trong hệ thống điện nói chung thì hệ thống các đường dây truyền tải từ mức trung thế trở lên đóng một vai trò to lớn. Trước kia các hệ thống đường dây truyền tải thường là các đường dây trên không với hệ thống cột đỡ từ 1 mạch 3 dây đến thậm chí là 4 mạch 12 dây dẫn.
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển nhanh của đất nước đã hình thành rất nhiều các thành phố lớn, dân cư đông đúc với nhiều công trình và tòa nhà cao tầng, và đặc biệt là đòi hỏi nhu cầu về thẩm mỹ của các thành phố hiện đại nên việc xây dựng các đường dây truyền tải trên không gặp không ít khó khăn. Do đó việc đổi mới truyền tải bằng hệ thống cáp ngầm đã trở thành một phần tất yếu của các hệ thống điện hiện đại trong các thành phố và tiểu biểu chính là cáp ngầm sử dụng cách điện XLPE (Hình 2. Sự phát triển của cáp ngầm hiện nay [1], [2] Đi đôi với sự phát triển trên cũng là những vấn đề đáng lo ngại đã và đang xuất hiện là các sự cố của hệ thống cáp ngầm, tuy hệ thống chỉ được phép đưa vào SVTH: Võ Dương Tiển 4 Chương 2. Tổng quan về điện trường và cáp ngầm trung thế hoạt động sau khi thử nghiệm đạt tiêu chuẩn Việt Nam hoặc IEC,.
dù đã kiểm tra cáp đạt tiêu chuẩn cũng không hoàn toàn đảm bảo về độ tin cậy của hệ thống truyền tải cáp ngầm. Việc vận hành tốt của cáp còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như môi trường, kỹ thuật,… Thử nghiệm chỉ cho kết quả tại thời điểm tiến hành mà sự cố lại được hình thành trong một khoảng thời gian khi đạt được giá trị nhất định rồi mới xảy ra. Vì vậy hiện nay khi thiết kế người ta thường tính toán đến cả phương án tối ưu cho cáp có tồn tại khiếm khuyết trong thời gian hoạt động. Những khiếm khuyết gây sự cố cáp ngầm trên cơ sở khoa học được phân tích phổ biến như: trong lớp cách điện có bọt khí, hơi ẩm xâm nhập, bị tác động cơ học từ bên ngoài,… [3].
Nhận thấy việc tìm hiểu và phân tích khiếm khuyết của cáp ngầm có tính khoa học cao nhưng nhiều đề tài hoặc báo khoa học hiện nay chỉ thực hiện với cấu trúc cáp đơn giản nhằm đánh giá phân bố cường độ điện trường bên trong cách điện, yếu tố chính gây ra sự cố của cáp ngầm [4]. Đề tài luận văn này sẽ thực hiện với cấu trúc đầy đủ của cáp để kết quả thực tế hơn, tìm hiểu và phân tích về cáp ngầm có tồn tại khiếm khuyết sẽ ảnh hưởng như thế nào đến cách điện trong cáp và nguyên nhân xảy ra sự cố (Hình 2. Tìm hiểu thêm về việc thi công cáp sai kỹ thuật bằng phương pháp PTHH và thí nghiệm phóng điện trên bề mặt cáp có khiếm khuyết, một trong những nguyên nhân gây ra sự cố cáp ngầm phổ biến hiện nay. Mô hình mô phỏng cáp ngầm bằng phương pháp PTHH SVTH: Võ Dương Tiển 5 Chương 2.
Tổng quan về điện trường và cáp ngầm trung thế 2. Điện trường 2. Khái niệm Điện trường là một dạng vật chất bao quanh các điện tích, điện trường sẽ tác dụng lực điện lên các điện tích khác đặt trong nó. Nơi nào có điện tích thì xung quanh các điện tích đó sẽ có lực điện trường.
Điện trường là một đại lượng có hướng và được biểu diễn thông qua vectơ cường độ điện trường. Cường độ điện trường tại một điểm được định nghĩa là đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường tại chính điểm đó (Hình 2. Điện trường được tạo ra từ 2 điện tích điểm [5] Đại lượng này được xác định bằng thương số giữa độ lớn của lực điện F tác dụng lên một điện tích thử q (dương) tại điểm đó với độ lớn của q.1) q Đơn vị đo cường độ điện trường là Vôn trên mét, ký hiệu là V/m. Cường độ điện trường tại một điện tích điểm được tính theo công thức: F |Q| E= = k.
r Trong đó: E: là ký hiệu của cường độ điện trường, đơn vị là V/m. q: là độ lớn của điện tích. ε: là ký hiệu của hằng số điện môi trong môi trường. r: là khoảng cách tính từ điện tích tới điểm xét.
SVTH: Võ Dương Tiển 6 Chương 2. Tổng quan về điện trường và cáp ngầm trung thế Dựa vào hình dạng phân bố, điện trường có thể được phân loại thành hai loại đó là: điện trường đều (đồng nhất) và không đều (không đồng nhất) (Hình 2. Trong điện trường đều, điện thế được phân bố tuyến tính. Đường đẳng điện thế và đường sức điện tạo thành các hình vuông hoàn hảo trong khe hở điện cực.
Trong điện trường đồng nhất, điện áp đánh thủng bằng điện áp phóng điện cục bộ. Mức độ không đồng nhất của điện trường bằng 1. Đối với điện trường không đều, điện thế phân bố rất không tuyến tính trong chất cách điện giữa các điện cực. Sự phóng điện đánh thủng chất cách điện trong điện trường không đều luôn xảy ra sau phóng điện cục bộ ổn định.
Do đó, điện áp phóng điện đánh thủng lớn hơn nhiều so với điện áp bắt đầu vầng quang. Dạng điện trường này được xác định là rất quan trọng vì nó là loại điện trường có hại nhất trong hệ thống nhưng vẫn hiện diện rất rộng rãi. Sơ đồ phân loại điện trường 2. Tính toán điện trường 2.
Công thức tính điện trường Kiến thức về cường độ và sự phân bố của điện trường là rất quan trọng khi thiết kế cách điện trong thiết bị điện cao áp. Các công thức Maxwell là công cụ cơ bản để tính toán trong lĩnh vực của trường điện từ. Các phương trình này mô tả sự kết nối giữa cường độ vectơ điện trường ⃗E, vectơ cảm ứng điện ⃗D ⃗ , vectơ cường độ từ trường ⃗H ⃗ và vectơ cảm ứng từ trường ⃗B. Các phương trình của Maxwell cho thấy rằng nếu các trường vector này không thay đổi theo thời gian, sẽ không có sự tương tác tác giữa chúng với trường điện mà SVTH: Võ Dương Tiển 7 Chương 2.
Tổng quan về điện trường và cáp ngầm trung thế là trường tĩnh. Trong chất cách điện không tổn hao, mối quan hệ giữa cảm ứng điện D và tổng điện tích Q được cho bởi phương trình sau: ∮ ⃗D ⃗ = ∫ pv dv = Q ⃗ dA (2.3) v Có nghĩa là tích phân của cảm ứng điện D trên một bề mặt kín là tổng diện tích Q được bao bọc bởi bề mặt đó. Ở dạng vi phân, phương trình sẽ là: ⃗⃗ = pv ∇D (2.4) Trong đó, pv là mật độ diện tích khối (C/m3) Mối quan hệ giữa cường độ điện trường và điện thế: ⃗ = −∇ϕ E (2.5) a a ∫b ⃗Eds = −∫b (gradϕ)ds = ϕb − ϕa = Uba (2.6) Trong đó: εr : hằng số điện môi tương đối của vật liệu.10-12 (F/m): hằng số điện môi của chân không. ϕa ϕb : điện thế tại điểm a và b.
Uab : hiệu điện thế giữa hai điểm a và b. Công thức Poisson: p ⃗D ⃗ = εr ε0 ⃗E → ∇2 ϕ = − (2.7) εr ε0 Sử dụng các phương trình này, chúng ta có thể tính toán được điện trường trong nhiều trường hợp quan trọng trong thực thế. Trong một vật liệu cách điện đồng nhất dưới tác dụng của điện áp AC hoặc quá độ trong thời gian ngắn, có thể xem như không có điện tích không gian trong cách điện. Như vậy, ta có phương trình như sau: ∇2 ϕ = 0 (2.
Phương pháp tính toán điện trường Phương pháp được sử dụng nhiều là phương pháp phân ly biến số. Thực tế của phương pháp này là ta giả thiết nghiệm là tích của các hàm chỉ phụ thuộc một biến số. SVTH: Võ Dương Tiển 8 Chương 2. Tổng quan về điện trường và cáp ngầm trung thế 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 biến số x; y; z.9) Cũng giả thiết như vậy với các thành phần của vector E giả sử thành phần Ex: Ex(x,y,z) = X(x)Y(y)Z(z) (2.10) Thay thế nghiệm đã giả thuyết vào mô hình trên sẽ dẫn ra các phương trình có một biến số, việc giải các phương trình một biến số sẽ đơn giản hơn rất nhiều.
Phương pháp này có ưu điểm là tìm được nghiệm 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 thích bằng giải tích sẽ rất phức tạp và không thể thực hiện được. Phương pháp số: trong những năm gần đây, để giải phương trình Poisson và Laplace trong các điều kiện bờ và biên phức tạp, người ta thường sử dụng các phương pháp số. Tùy vào mức độ khó dễ của các điều kiện bờ mà người ta sử dụng phương pháp thích hợp.
Phương pháp mô phỏng điện tích: nguyên lý của phương pháp này là dựa trên nguyên lý xếp chồng điện thế.