Kỹ thuật cao áp - Chương 13 pps

Khi đầu cao áp lấy từ giữa cuộn dây trong máy biến áp có điểm trung tính nối đất thì kết cấu cách điện được giảm nhẹ đi nhiều.. Sơ đồ thay thế của cuộn dây máy biến áp có phức tạp hơn: t

Chương XI

Cách điện của máy biến áp

Đ13-1 Kết cấu cách điện của máy biến áp

Cách điện của máy biến áp nhất là khi máy biến áp có điện áp địnhmức cao là một kết cấu cách điện phức tạp

Ngoài thành phần cách điện chủ yếu tức là cách điện giữa cuộn dây các pha , giữa cuộn dây có điện áp khac nhau, giữa cuộn dây đối với đất (gông từ, vỏ thùng) còn phải chú ý đến thành phần cách điện dọc là cách điện giữa các vòng dây ( đĩa dây, lớp dây) trong cùng cuộn dây Môi trường cách điện trong máy biến áp là đầu biến áp phối hợp với điện môi rắn ( cáctông cách điện, bakêlit, giấy, vải cách điện) Điện môi rắn được sử dụng dưới các hình thức lớp bọc, lớp cách và màn chắn

Lớp bọc : là lớp vật liệu cách điện tương đối mỏng ( lớp sơn hoặc giấy bọc điện cực có

chiều dày không quá 1ữ2 mm) Tác dụng chủ yếu của nó là hạn chế việc hình thành các cầu dẫn điện trong dầu Theo kết quả thực nghiệm trong trường gần đồng nhất, do có lớp bọc nên

điện áp phóng điện tần số công nghiệp của khe hở dầu có thể tăng 50% và cao hơn

Lớp cách: là lớp cách điện khá dày ( hàng chục mm) quấn quang dây dẫn Nó làm giảm

cường độ trường ở xung quanh cực nên được sử dụng ở những nơi trường không đồng nhất như dùng để bọc dây dẫn của cuộn dây, bọc dây ở nơi có khe dầu lớn

Màn chắn : Trong máy biến áp màn chắn thường

chế tạo bằng cáctong cách điện, bakêlit Khi đặt trong trường không đồng nhất (khe hở dầu) tác dụng của màn chắn tương tự như trong các khe hở khí: đặt ở khu vực trường cực đại có thể làm cho điện áp phóng điện tần số công nghiệp tăng hơn hai lần Nhưng khi có màn chắn thì

sự ion hoá ở khu vực có điện trường mạnh sẽ xuất hiện rất sớm (trước khi có phóng điện), tình trạng này kéo dài sẽ không có lợi vì quá trình ion hoá sẽ phân hoá dầu và phân huỷ màn chắn Do đó biện pháp này chỉ dùng trong các trường hợp cần tăng cường điện áp phóng điện khi điện tác dụng trong thời gian ngắn như các loại quá điện áp nội bộ

Trong trường hợp gần đồng nhất, màn chắn có tác dụng ngăn của sự hình thành các cầu dẫn điện trong dầu

Hình 11-1 cho các nét chính về kết cấu của cách

điện chủ yếu của các máy biến áp từ 35kV trở xuống.Cường độ trường lớn nhất là ở đầu cuộn dây cao áp nên ống cách điện 2 và tấm chắn cách điện 5

Hình 11-1 Kết cấu cách điện của máy

biến áp từ 35kV trở xuống

1 Lõi thép

2 óng cách điện

3 Cuộn dây 4 Gông từ

5 Tấm chắn cách điện

1

4

5

B

A

Tr−êng §¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp http://www.ebook.edu.vn

cần có kích thước đủ lớn để ngăn cản phóng điện tới lõi thép và gông từ

Cách điện của cuộn dây cao áp đối với cuộn dây hạ áp được thực hiện tương tự như đối với lõi thep

ở các máy biến áp 100kV trở lên do cường độ trường lớn nên kết cấu cách điện càng phức tạp hơn Hình 11-2 cho kết cấu cách điện chủ yếu của máy biến áp 110kV Trên tất cả các

đường có khả năng phóng điện đều phải đặt màn chắn (ống cách điện, tấm chắn cách điện phẳng hoặc vuông goc) với số lượng từ hai trở lên

Khi đầu cao áp lấy từ giữa cuộn dây trong máy biến áp có điểm trung tính nối đất thì kết cấu cách điện được giảm nhẹ đi nhiều Đầu cao áp ở giữa cuộn dây được cách xa lõi thép và gông từ thì được nối với nhau làm điểm trung tính có điện áp thấp và yêu cầu cách điện không cao Hình 11-3 cho cách bố trí bên trong của máy biến áp ba dây quấn 220/110/35kV trong đó cuộn dây 220kV và 110kV được giảm đi một cấp nghĩa là của cuộn 220kV được chọn theo cấp

điện áp 110kV và cuộn 110kV được chọn theo 35kV

Trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất vẫn có một số máy biến áp mà điểm trung tính đặt cách điện nối đất Kết cấu cách điện của chúng không có gì khác so với loại máy biến áp có điểm trung tính được nối đất vì điểm trung tính đã được bảo vệ bằng chống sét van có

điện áp định mức phù hợp với điện áp được chọn thiết kế của điểm trung tính

Cách điện giữa các vòng dây được thực hiện bằng các lớp vải còn giữa các lớp dây, đĩa dây thì dùng giấy hoặc khe hở dầu của màn chắn

Đ13-2 Quá trình quá độ trong cuộn dây máy biến áp

Chiều dài của cuộn dây máy biến áp có thể tới vài km cho nên khi đóng máy biến áp vào nguồn hoặc khi có quá điện áp thì trong cuộn dây sẽ có quá trình dao động tương tự như quá trình sóng trên đường dây Sơ đồ thay thế của cuộn dây máy biến áp có phức tạp hơn: trên hình 11-4 ngoài thành phần điện cảm của dây dẫn và điện dung của nó đối với đất còn có thêm hai thành phần khác: điện dung giữa các vòng dây hay đoạn dây gần nhau K và điện cảm tương hỗ

( )

M x của mỗi vòng dây đối với số vòng dây

còn lại của cuộn dây

Thường các số liệu về LCK là trị số

trung bình của đơn vị dài và sơ đồ cuộn dây

được biểu thị dưới dạng sơ đồ có tham số

phân bố Tuy nhiên sự thay thế này chưa thật

chính xác vì số phần tử của cuộn dây máy

biến áp có hạn mà không phải vô cùng Trị số

hỗ cảmM x( )rất khó xác định và gây nhiều

khó khăn trong quá trình tính toán nên trong

phạm vi giáo trình này không xét đến

1 Sự phân bố điện áp ban đầu dọc

theo cuộn dây máy biến áp

Giả thiết là có sóng điện áp vuông góc

với biên độ U0 tác dụng lên máy biến áp

Trong thời gian đầu ( t = 0) điện cảm của cuộn dây không cho dòng điện đi qua nên trong sơ đồ thay thế chỉ còn lại các thành phần điện dung C và K

Đối với sơ đồ này có thể thành lập được các phương trình sau đây:

Hình 11-4

Sơ đồ thay thế của cuộn dây biến áp

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn

Điện tích trên điện dung K

dx :

dU dx

Điện tích trên điện dung Cdxbằng số gia của điện tích Q

dQ= CdxU hay dQ

Từ đó rút ra phương trình vi phân của điện áp:

d U dx

CU

2

No scó nghiệm tổng quát là :

(11-4)

K

Hằng số A và B được xác định từ điều kiện giới hạn : ở đầu cuộn dây (x= 0) điện

áp có trị số bằng U0 còn ở cuối cuộn dây (x= ưl l chiều dài cuộn dây) trị số điện áp phụ thuộc vào phương thức nối đất của điểm trung tính: khi điểm trung tính trực tiếp nối đất thì điện áp trên nó sẽ bằng không; khi điểm trung tính cách điện nối đất với đất thì tại điểm này dòng điện phải bằng không tức là dU

Tức là điều kiện trên, xác định được quy luật phân bố điện áp ban đầu dọc theo cuộn dây máy biến áp:

Khi điểm trung tính nối đất:

U

l

sh l

e

=

ư

⎛

⎝⎜

⎞

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎡

⎣

⎦

⎥

ư

⎛

⎝⎜ ⎞⎠⎟

ư

ư 0

1

1

α

Khi điểm trung tính cách điện đối với đất:

l

ch l

=

ư

⎛

⎝⎜ ⎞⎠⎟+ ⎛⎝⎜ ư ⎞⎠⎟

ư

⎛

⎝⎜ ⎞⎠⎟

ư

ư 0

1

α α

Từ biểu thức của α có thể viết được:

αl l C

K

Cl

K l

C K cuonday cuonday

/ Như vậy trị số αlđược xác định bởi tỷ số của điện dung tổng của cuộn dây đối với đất và

điện dung dọc của vòng dây đầu đối với vòng dây cuối của cuộn dây

Trong tính toán chống sét, thường gặp trị số điện dung đầu vào của máy biến áp, đó là trị

số điện dung đẳng trị của cuộn dây đối với đất Trị số này được xác định từ biểu thức

U x

0

thay Q x-0 bởi trị số của nó ở phương trình (11-1) sẽ được:

C

KdQ dx U

K

x

cuonday cuonday

=

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

ư 0

0

Điện dung đầu vào là trị số trung bình hình học của điện dung tổng của cuộn dây đối với

đất và điện dung dọc của vòng dây đầu đối với vòng dây cuối của cuộn dây Nó phụ thuộc vào công suất và điện áp của máy biến áp và biến thiên trong phạm vi 10-15 ữ 5.10-10 F

Các máy biến áp được chế tạo hiện nay đều có trị số ( )αl > 5 và (αl)tr.b ≈ 10

Do đó eα1 >eưα1

và đối với phần lớn chiều dài cuộn dây (khoảng 80%) nghĩa là khix

l < 0 8, thì

ư

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ > ư

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

ư

Vì vậy trong phạm vi 80% chiều dài cuộn dây tính từ đầu cuộn dây, quy luật phân bố điện áp của máy biến áp có điểm trung tính cách điện gần giống như của máy biến

áp có điểm trung tính nối đất và được biểu thị bằng công thức chung:

x

x

0

1 0

(11-7)

Hình 11-5 cho sự phân bố điện áp ban đầu trong cuộn dây máy biến áp khi trị số αl= 5Gra

điện cực đại của điện áp (ứng với phân bố điện áp ban đầu) xuất hiện ở đầu cuộn dây và có trị số:

dU

U

x

⎛

⎝⎜ ⎞⎠⎟max = α = 0 = α

Như vậy nó gấp (αl) lần so với khi điện áp phân bố đều Nếu máy biến áp có αl = 10 và điện

áp tác dụng là U0 = 5Uph ( gần bằng mức điện áp thí nghiệm xung kích của máy biến áp 220kV) thì

so với bình thường điện áp trên cách điện dọc ở phần đầu cuộn dây sẽ lớn gấp 50 lần Bởi lý do đó, cách điện giữa các vòng dây ở phần đầu cuộn dây cần được tăng cường

Hình 11-5 Phân bố điện áp ban đầu trong

cuộn dây máy biến áp

a) Điểm trung tính cách điện

b) Điểm trung tính nối đất

a b

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0

U U

l

x L

α

1

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn

Kinh nghiệm vận hành cho thấy vẫn còn khả năng cách điện bị chọc thủng tại các nơi khác của cuộn dây vì tại các nơi này đều có xuất hiện građiện cực đại của điện áp Hình 11-6 cho kết quả đo điện áp trên cách điện dọc khi có sóng xung kích: càng ở xã đầu cuộn dây thì građiện cực đại của điện áp xuất hiện càng muộn và có

trị số càng bé Do điện tích có quan hệ trực tiếp đến trị

số građiện của điện áp (công thức 11-1) nên có thể

thông qua sự chuyển dịch của điện tích để xác định

građiện cực đại của điện áp tại bất kỳ điểm nào của

cuộn dây Có thể xem điện tích trên vòng dây nào đó

được chia thành hai phần bằng nhau, các phần ấy do lực

đẩy nhau sẽ chuyển dịch về hai phương khác nhau của

cuộn dây với tốc độ:

r r

=

ε μ trong đó eưtốc độ ánh sáng, εr μr - hệ số điện môi và

hệ số từ thẩm của cách điện cuộn dây: ở đây εr ≈ 4 , μr

≈ 1 nên v≈ 0 5, e

Hình 11-7 cho cách xác định građiện cực đại của

điện áp tại các vị trí khác nhau của cuộn dây bằng

phương pháp đồ thị Hình 11-7a là phân bố građiện

điện áp lúc ban đầu và chia thành hai phần bằng nhau

(đường chấm) Qua thời gian t một nửa đường cong ấy

chuyển dịch về bên phải được đoạn đườngx=vtnhư ở

hình 11-7b, còn nửa kia chuyển dịch về phía đầu cuộn

dây và phản xạ ở đó tạo nên sự phân bố građiện như ở

hình 11-7c Đường cong tổng cho trên hình 11-7d, trị

số građiện cực đại của điện áp ở vị trí x xuất hiện chậm

sau thời gian t và có biên độ bé hơn

Hình 11-6

Kết quả đo điện áp trên cách điện dọc của cuộn dây máy biến áp

a) ở rãnh thứ nhất b) ở rãnh thứ ba c) ở rãnh thứ năm d) ở rãnh thứ bảy e) Khắc độ thời gian

t

t

t t

t

a)

b)

c)

d)

e)

0,6

0,2 0,4 0

E

l Vt

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

t=0

l x

E

0

0

0,6

0

0,6

0,2

0,4

0

E

l Vt

l x

t

t

l x

l x

0,6

0,2 0,4 0

E

l Vt

a)

b)

c)

d)

Hình 11-7

Xác định građiện điện áp cực đại ở các vị trí khác nhau

của cuộn dây máy biến áp

2 Giao động riêng của cuộn dây:

Từ sơ đồ thay thế ở hình 11-4 cho thấy, bản thân cuộn dây máy biến áp và một hệ thống dao động phức tạp có phổ tần số dao động ω1ữω∞

Dạng tổng quát của điện áp tại một điểm bất kỳ x của cuộn dây tại thời điểm t được biểu thị bởi dãy số:

k

=

∞

∑

0

1

( )

U0d x là điện áp phân bố dọc theo cuộn dây ổn định và U x k( ) k t

k

cosω

=

∞

∑

1

là các dao

động riêng của cuộn dây

phụ thuộc vào số thứ tự của nó và toạ độxcó nghĩa là dao động có đặc tính sóng đứng tương tự như sóng đứng trên đường dây có độ dài giới hạn Mục đích cuối cùng của sự phân tích quá trình quá độ trong cuộn dây máy biến áp là xác định quan hệ ωk = f k1( )và quan hệ

( )

một số kết luận có tính chất định tính Sự phân bố điện

áp lúc ổn định phụ thuộc vào phương thức nối đất của

điểm trung tính nhất về điện dẫn của cuộn dây nên sự phân bố điện áp lúc ổn định sẽ là đường thẳng xiên như

ở hình 11-8a còn khi điểm trung tính cách điện đối với

đất ( hở mạch) sẽ là đường nằm ngang như trên hình 11-8b

Như vậy tại mỗi điểm của cuộn dây có sự không thống nhất giữa trị số của điện áp lúc t = 0 và lúc ổn

định Sự không thống nhất này là nguyên nhân của quá trình quá độ biểu thị bằng các dao động riêng trong cuộn dây Biên độ của các dao động này là hiệu số của trị số điện áp lúc ổn định và ban đầu:

U d dg. =U0.d ưU bd (11-9) Vì dao động xảy ra xung quanh trị số ổn định nên

điện áp cực đại trong quá trình quá độ có thể đạt được mức:

Umax = U0.d+ Uddg+ 2 U0.dư Ubd

(11-10)

Trên hình 11-8 cũng cho cách xác định các trị số điện áp cực đại tại các điểm và thời

điểm khác nhau Kết quả này tơng đối phù hợp với thực nghiệm: ví dụ khi điểm trung tính cách

điện, điện áp lớn nhất (điện áp tác dụng lên cách điện chủ yếu) xuất hiện ở cuối cuộn dây và đo

đợc khoảng ( 1,6 ữ 1,8) U0ưgần bằng mức 2U0; còn khi điểm trung tính nối đấ thì điện áp lớn

Hình 11-8

Xác định trị số điện áp cực đại của

cuộn dây máy biến áp

1 Phân bố ban đầu; 2 Phân bố lúc

ổn định; 3 Đường cong điện

áp cực đại

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

1,2

0,8

0,4

0

0

U

U

)

(x

U O

2

1

l x

x

1,2

0,8

0,4

0

U U

1,4

1,6

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

)

(x

U O

∑

3

1

a)

b)

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn

nhất đo được không vượt quá ( 1,2 ữ 1,3) U0ưNhư vậy quá trình dao động đã làm cho cách

điện chủ yếu của cuộn dây máy biến áp phải chịu điện áp vượt quá trị số của nguồn Hình 11-9 cho các đường cong phân bố điện áp dọc theo cuộn dây tại các thời điểm khác nhau Tập hợp các điểm điện áp cực đại sẽ về được đường cong tương ứng với đường 3 của hình 11-8

Hình 11-9

Phân bố điện áp dọc theo cuộn dây máy biến áp

Hình a - Điểm trung tính nối đất; Hình b- Điểm trung tính cách điện

t= < <0 t1 t2 <t3 < = ∞t

3 Đặc điểm của quá trình quá độ trong máy biến áp ba pha

Trên đã xét quá trình quá độ trong một pha của máy biến áp khi không xét đến ảnh hưởng của các pha khác Đối với máy biến áp ba pha có điểm trung tính nối đất, cách tính toán này hoàn toàn hợp lý vì trong lõi thép từng pha không có từ thông của các pha khác nên quá trình quá độ trong các pha không ảnh hưởng lẫn nhau Nếu điểm trung tính cách điện đối với đất, kết quả tính toán trên vẫn dùng được khi sóng đồng thời xuất hiện ở cả ba pha (cùng trị số và dạng sóng)

Nghiên cứu trường hợp sóng chỉ xuất hiện trên hai pha của máy biến áp ( có điểm trung tính cách điện

đối với đất) như trên hình 11-10 Vì pha thứ ba được nối với dây dẫn không có sóng điện áp nên điện áp ở đầu cuộn dây buộc phải giữ gần bằng không Như vậy điểm này có thể xem như được nối đất và trở lại bài toán của máy biến áp có điểm trung tính nối dất với cuộn dây

được kéo dài và không đồng nhất

Hình 11-10

Sóng tác dụng lên hai pha của máy biến áp ba pha

U0

U0

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Phan bố lực

ổn định Phân bố lực ban đầu

đường bao trị số

điện áp cực đại

1,4

1,2

1,0

l x

Ux

U0

t0

t1

t2

t∞

1

t

A

0,8

0,6

0,4

0,2

UA

U0

x

Phan bố lực

ổn định

UA

0 0,2 0,4 0,6 0,8

x

Đường bao trị số

điện áp cực đại

0

U

U X

0

t =

0

t =

1

t

3

t

t∞

t4 1,4

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

1,6 1,8

A

l x

Phân bố lực ban đầu

a)

b)

Sự phân bố điện áp ban đầu và lúc ổn định cho trên hình 11-11a Các đường cong tương

tự khi sóng xuất hiện ở một pha trên hình 11-11b Từ các ví dụ trên thấy rằng, trường hợp nguy hiểm nhất đối với cách điện chủ yếu của máy biến áp có điểm trung tính cách điện là khi sóng

đồng thời tác dụng lên cả ba pha và được chọn làm điều kiện tính toán thiết kế máy biến áp

4 Quá trình quá độ trong cuộn dây máy biến áp tự ngẫu

Hình 11-12a cho cách bố trí các cuộn dây

điện áp khác nhau trong máy biến áp tự ngẫu Đầu cao áp được bố trí phía giữa cuộn dây Khi điện áp tác dụng phía cao áp (điểm B) trong khi phía trung

áp (điểm C) hở mạch thì quá trình quá độ phát triển giống như trong máy biến áp một pha có điểm trung tính nối dất (hình 11-12b) khi sóng tác dụng lên cuộn dây trung áp (điểmC) trong khi phía cao áp hở mạch (điểm B) thì quá trình có khác Phân bố điện áp (lúc ban đầu cũng như lúc ổn định) trong cuộn trung

áp giống như của máy biến áp có điểm trung tính nối

đất (hình 11-12c) Nếu xét điện áp ở đầu cao áp (điểmB) thấy rằng:

Lúc ban đầu điện áp phân bố trong cuộn cao

áp theo đường 1' ứng với trường hợp truyền sóng khi

điểm B hở mạch: lúc ổn định, do trong cuộn trung

áp có dòng điện và giữa hai cuộn dây có liên hệ với nhau về từ nên điện áp ở đầu cuộn dây cao áp sẽ là:

(11-11)

(kưtỷ số biến đổi)

Hình 11-12

Phân bố điện áp trong máy biến áp tự ngẫu khi sóng tác dụng

phía cao áp (hình b) và phía trung áp (hình c)

1 Phân bố lúc ban đầu 2 Phân bố lúc ổn định

Hình 11-11

Phân bố điện áp trong máy biến áp

ba pha khi sóng tác dụng lên hai

pha (hình a) và một pha (hình b)

1 Phân bố lúc ban đầu;

2.Phân bố lúc ổn định

3 Đường cong trị số điện áp cực đại

1,6

1,2

0,8

0,4

x

3 2

1

U

U0

0,8

0,4

0

U

U0

1,2

a)

b)

3

2

HA

C

TA

2 1

U0

CA

B

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn

3 Đường cong trị số điện áp cực đại

còn ở cuối cuộn dây cao áp (điểm C) sẽ có trị số U0 Phân bố điệnáp sẽ theo đường 2' (trên hình 11-12c đường 2' được vẽ với tỷ số k = 2)

Đường 3' là tập hợp các trị số điện áp cực đại của cuộn cao áp: điện áp điểm B có thể đạt tới 4U0 nhưng thực tế đo được không vượt quá 3U0 do sự tắt dần của các dao động tự do

Đ11-3 Bảo vệ bên trong của máy biến áp

Quá trình quá độ trong cuộn dây máy biến áp làm xuất hiện građiện điện áp cực đại nguy hiểm cho cách điện dọc đồng thời còn tạo nên sự tăng điện áp đối với dất gây nguy hiểm cho cách điện chủ yếu của máy biến áp Vì vậy để cải thiện điều kiện làm việc của cách điện cần phải có biện pháp bảo vệ mà nội dung cơ bản là triệt tiêu hoặc hạn chế dao động trong cuộn dây máy biến áp, nghĩa l à thực hiện sao cho phân bố điện áp lúc ban đầu được gần giống với lúc ổn

định

Có hai biện pháp để cải thiện phân bố điện áp như ở trên hình 11-13a và b Trong sơ đồ a dùng các điện dung phụ C C1 2 C n với các trị số thích hợp sao cho dòng điện tản qua điện dung

C là do nguồn cung cấp qua chúng Như vậy dòng điện qua

Hình 11-14

Dùng điện dung phụ C1 C2

cải thiện phân bố điện áp áp trong cuộn dây máy biến

trong cuộn dây máy biến áp áp (theo sơ đồ hình 11-13a)

cách điện dung K sẽ bằng nhau và phân bố điện áp ban đầu đã đạt được dạng đường thẳng xiên góc Trị số Ck được tính theo điều kiện ( giả thiết cuộn dây có chiều dài l và chia n phần tử):

U

U

vòng mòn che

U

U 0

U

U 0

k1 k2 k3 c1 c2 c3

đếnđường dây Vòng điện

dung

Cuộn dây cao áp