Kỹ thuật cao áp (Chuong III ap luc dien truong)

Các công thức tính toán điện trường Tính toán điện trường của một số hệ thống cơ bản Độ dẫn điện của vật liệu cách điện Phân bố điện trường của một số hệ thống thực tế

CHƯƠNG III: ÁP LỰC ĐIỆN

TRƯỜNG

 Tổng quan

 Các công thức tính toán điện trường

 Tính toán điện trường của một số hệ thống cơ bản

 Độ dẫn điện của vật liệu cách điện

 Phân bố điện trường của một số hệ thống thực tế

1 Tổng quan

 Khi thiết bị chịu tác động của điện áp ⇒ hình dạng và kết cấu của các điện cực và cách điện sẽ quyết định ứng suất điện trường bên trong vật liệu

 Đặc tính chất cách điện (điện môi) lý tưởng

o Đồng nhất

o Không dẫn điện ( σ =0)

o Hằng số điện môi không phụ thuộc tần số và nhiệt độ

o Phân bố điện trường trong vật liệu không phụ thuộc vào dạng sóng điện áp (AC, DC, Xung)

 Khi kết hợp hai hay nhiều chất cách điện lý tưởng⇒ sự phân

bố điện áp phụ thuộc vào hằng số điện môi của các chất cách điện ⇒ phân bố “điện áp điện dung” (capacitive voltage

distribution)

 Khi kết hợp hai hay nhiều chất cách điện có σ ≠ 0

o Đối với điện áp DC ổn định: phân bố “điện áp điện trở” (resistive voltage distribution) phụ thuộc vào điện trở suất của vật liệu (ρ phụ thuộc vào nhiệt độ và cường độ điện trường)

o Đối với điện áp DC ở trạng thái quá độ (tại thời điểm nối kết điện- điện áp bước), AC, xung ⇒ phân bố “điện áp điện dung” (capacitive voltage distribution)

Ví dụ: hệ

thống gồm

hai lớp cách

điện

 Tỉ số của hằng số điện môi:

εr pressboard/ εr oil ∼ 2

 Tỉ số độ dẫn điện:

- σoil/ σpressboard ∼ 10-1000

Phân bố điện dung (phụ

thuộc vào tỉ số εr pressboard/ εr

oil )

Phân bố điện trở (phụ thuộc vào tỉ số σoil/ σpressboard)

2 Các công thức tính toán điện trường

 Giá trị cường độ điện trường và phân bố điện trường sẽ quyết định kích thước của cách điện

 Hệ thống các công thức Maxwell được sử dụng để tính toán điện trường

 Vectơ cảm ứng điện hay vectơ điện dịch trong điện môi (chất cách điện)

E

Q dv

Q q

A d E A

d D

v v

S S

i

n i

o r D

 Định lí Gauss: Thông lượng điện dịch qua một mặt kín có giá trị bằng tổng đại số các điện tích có mặt bên trong mặt đó

dA n A

v S v

z y

y x

v

Q v

A d

D Dz

D x

D D

∂

∂ +

Thiết lập mối quan hệ giữa véc tơ điện dịch và mật độ điện tích khối

d grad

1 2

 Công thức Poisson

ds

d grad

E = − φ = −∇ φ = − φ

[ ]

v v

v S v

z y

y x

v

Q v

A d

D Dz

D x

D D

∂

∂ +

r o v

v r

o

z y

x z

y x

grad div

ε ε

ρ φ

ε ε

ρ φ

ρ φ

ε ε

∂

∂ +

2 2

2 2

Toán tử Laplace

 Nếu không tồn tại điện tích trong điện môi (chất cách điện), công thức Poisson ⇒ công thức Laplace

0

∇ φ

3 Tính toán điện trường của một số hệ

4 Độ dẫn điện của vật liệu cách điện

 Chất cách điện lý tưởng: σ = 0

 Chất cách điện sử dụng trong ngành kỹ thuật điện là không lý tưởng: σ > 0

o Chất rắn: dẫn điện do điện tích di chuyển tự do (điện tử và ion)

o Chất lỏng: chứa các hạt mang điện tích (nước, sợi cotton…)

 Đối với chất lỏng cách điện: độ dẫn điện được dùng để đo lường chất lượng cách điện vì σ phụ thuộc vào mức độ ô nhiểm của chất lỏng

 Tổn thất do độ dẫn điện nhỏ hơn so với tổn thất điện môi đối với điện áp AC

 Độ dẫn điện rất quan trọng đối với các thiết bị DC: do phân bố điện trường ở trạng thái ổn định phụ thuộc vào độ dẫn điện

 Độ dẫn điện σ tăng khi nhiệt độ và cường độ điện trường tăng

 Tại vùng có điện trường cao, độ dẫn điện có giá trị đủ lớn ⇒ sinh nhiệt do hiệu ứng Joule ⇒ gây ra quá nhiệt đối với chất cách điện

⇒ có thể gây ra phóng điện do nhiệt

 Ví dụ: điện trường của hệ thống điện cực của cáp cao áp DC

( )* 2

2

rl

I E

rl E

jA I

const I

r r

r r

πσ

πσ

- Nếu σr = const ⇒ phân bố điện trường giống trường hợp AC (EDC = EAC) ⇒

điện trường lớn nhất tại bề mặt lõi dẫn

- Thực tế, độ dẫn điện tăng khi nhiệt độ tăng ⇒ khi cáp mang tải, độ dẫn điện lớn nhất tại bề mặt lõi dẫn

+) Nếu σ (r).r = const ⇒ Er = const

+) Nếu σ (r).r tăng khi r giảm ⇒ Er nhỏ nhất tại bề mặt lõi dẫn ⇒ ngược lại với phân bố trong trường hợp AC

trường của độ dẫn điện

5 Phân bố điện trường của một số hệ

thống thực tế

a Đầu nối cáp cao áp

Không có cone giảm

ứng suất (stress cone)

⇒ Tăng điện trường tại

đầu “giáp kim loại”

Có cone giảm ứng suất ⇒ giảm tập trung điện trường tại đầu

“giáp kim loại”

Rubber or elastomer

Không có cone giảm ứng suất (stress cone) ⇒ Hình thành tụ không khí nối tiếp tụ của lớp cách điện (Ckk<<Ccd) ⇒ điện áp rơi trên tụ Ckk tăng cao ⇒ tăng điện trường tại đầu giáp KL

Có cone giảm ứng suất ⇒ Tạo điện trường gần đồng nhất giữa stress cone và lõi dẫn ⇒

đẩy các đường đẳng thế về phía lõi dẫn ⇒ giảm mức độ tập trung đường sức điện trường tại đầu giáp KL

C n = const khi a n nhỏ hơn

với bán kính r n lớn hơn

Mô phỏng điện trường của cấu trúc điện dung

Sứ xuyên 110 kV sử dụng cấu trúc điện dung

Một phần lớp “bán dẫn” nằm ngoài rãnh stator

 Lớp bán dẫn dùng để loại trừ khe hở không khí giữa cách điện cuộn dây và rãnh stator

 Lớp bán dẫn nhô ra khỏi rãnh stator dùng để giảm điện trường tại stator bằng

 Mạch tương đương của hệ thống cách điện sử dụng phương pháp “phân tán điện trường bằng điện trở”

o Chia lớp bán dẫn thành n vòng

o Mỗi vòng có điện dung C so với lõi dẫn và điện trở R

o Vòng bán dẫn gần stator nhất có dòng đi qua lớn nhất ⇒ điện áp rơi lớn nhất