Kỹ thuật cao áp - Chương 12 pps

Các dây dẫn của đường dây trên không phải cách điện với nhau cách điện giữa các pha và cách điện đối với đấtcách điện giữa các pha với đất.. ở cột điện, các phóng điện này thường xảy ra

Trang 1

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

Chương XII

Cách điện của đường dây trên không

Đ 12-1 Yêu cầu chung đối với Cách điện đường dây trên

không

Các dây dẫn của đường dây trên không phải cách điện với nhau (cách điện giữa các pha) và cách điện đối với đất(cách điện giữa các pha với đất) Để thực hiện

sự cách điện đó, dây dẫn được đặt hoặc treo trên cột bằng cách điện sứ hoặc thuỷ tinh còn ở trong khoảng vượt sẽ dựa vào cách điện của không khí Khi xuất hiện quá

điện áp khí quyển hoặc quá điện áp nội bộ, các phóng điện trên cách điện của đường dây sẽ dẫn đến các sự cố ngắn mạch ở cột điện, các phóng điện này thường xảy ra men theo bề mặt của cách điện hoặc chọc thủng khoảng không khi giữa dây dẫn tới các bộ phận kim loại của cột Hình 9-1a, 9-1b cho ví dụ về các khả năng phóng

điện khi đường dây dùng cột sắt và cột

bê tông: đường mk - phóng điện theo

bề mặt cách điện, đường mm hoặc m - phóng điện chọc thủng không khí Hình 9-1c ứng với đường dây cột

xà gỗ, ở đây có thể xuất hiện các khả năng phóng điện giữa pha - pha (đường mk - km) hoặc phóng điện giữa pha - đất (đường nns) ở trong khoảng vượt phóng điện xảy ra dưới hình thức phóng điện chọc thủng khoảng không khí giữa các pha hoặc giữa pha với đất (dây chống sét) Để hạn chế hoặc loại trừ các phóng điện nói trên cần phải nâng cao mức cách

điện của đường dây như tăng thêm số cách điện trong chuỗi hoặc tăng khoảng cách không khí Tuy nhiên việc tăng cường cách điện sẽ làm tăng giá thành xây dựng đường dây do phải tăng kích thước cột và tăng số

Hình 9-1

Các khả năng phóng điện trên cột điện

a)Cột sắt; b) Cột bê tông; c) Cột gỗ không có dây chống sét

Trang 2

cách điện trong chuỗi Hiện nay ngoài biện pháp tăng cường cách điện còn có các biện pháp khác như dùng các thiết bị số quá điện áp khí quyển hoặc các thiết bị tự

động (cuộn dập hồ quang, thiết bị tự động đóng lại TĐL ) có khả năng loại trừ sự

cố nhanh chóng, đảm bảo cung cấp điện liên tục

Trong việc chọn cách điện của đường dây trên không, thường xuất phát từ các yêu cầu sau đây:

1 Cách điện của đường dây phải chịu được tác dụng của đa số các loại quá

điện áp nội bộ, trừ một vài loại có biên độ quá lớn nhưng xác suất xuất hiện bé

2 Đối với yêu cầu của quá điện áp khí quyển, phải giải quyết sao cho được hợp lý về kinh tế kỹ thuật ở các đường dây 110 kV trở lên yêu cầu này được thoả mãn dễ dàng vì cách điện đường dây khi chọn theo yêu cầu của quá điện áp nội bộ

đã có được mức cách điện xung kích rất cao, chỉ cần có các biện pháp bảo vệ chống sét tương đối đơn giản là đủ đảm bảo cho đường dây có mức chịu sét cao

Ngược lại với đường dây 3 kV và điện áp thấp hơn, để thoả mãn yêu cầu của quá điện áp khí quyển cách điện phải tăng rất cao và như vậy sẽ rất tốn kém Bởi vậy cách điện đường dây chỉ cần chọn tới mức cần thiết hợp lý kết hợp với một số biện pháp khác để hạn chế số lần sự cố gây nên như cải thiện nối đất cột điện, dùng cuộn dập hồ quang v.v

Cách điện của đường dây trên không ngoài các cách điện thể rắn (sứ, thuỷ tinh) còn dùng cách điện không khí của của gỗ

Cường độ cách điện xung kích của gỗ rất tản mạn, phụ thuộc vào tình hình

ẩm của gỗ và các yếu tố có liên quan đến sự bố trí và kích thước của nó trong cách

điện tổ hợp( cách điện gỗ phối hợp với cách điện thể rắn) Trong tính toán thiết kế

có thể lấy trị số gần đúng k hoảng 100kV/m (điện áp phóng điện xung kích bé nhất

ưU05% ) Như trên hình 9-1c, có thể tính được mức cách điện theo đường mk - mk :

U50% = 2 Uch.50%+ 100 lkk = 2645 1004 1690 + = kV

trong đó U ch.50% = 645kV là điện áp phóng điện xung kích 50 % của chuỗi gồm 7 sứ treo II - 4,5

l kk = 4mưchiều dài của đoạn xà gỗ k - k

Và theo đường nns:

U50% =U nn.50% +100l kk = 720 10011 2 1840+ , = kV

không khí n - n dài 115cm

l ns = 11 2, cm là độ dài đoạn ns của thân cột gỗ

Trang 3

Cách điện của đường dây 35 kV quan trọng và của các dây

điện áp cao hơn thường được thực hiện bằng chuỗi gồm nhiều đĩa cách điện , số đĩa nhiều hay 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 đứng còn

ở các cột néo nó được đặt hầu như nằm ngang và chịu lực căng của dây dẫn Vì độ bền cơ giới của từng đĩa nên trong trường hợp không đạt yêu cầu ( về độ bền cơ giới) phải giải quyết bằng cách dùng nhiều chuỗi ghép song song 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 điểm của quá trình phóng điện dọc theo chuỗi Quá trình này có thể phát triển theo một trong ba đường (hình 9-7)

ư Hoàn toàn dọc theo bề mặt cách điện tức là theo

đường CBA hoặcCBA1

ư Theo đường CBD với chiều dài phóng điện nl p ( n

là số đĩa trong chuỗi)

ư Theo hướng ngắn nhất EF mà chiều dài của nó gần bằng trị số L = nH Cường độ cách điện theo đờng EF thực tế bằng cường độ cách điện của khe hở khi giữa 2 điện cực " thanh - thanh", do đó thường có trị số cao hơn so với cường độ cách 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 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 trong giới hạn 1,15 ữ 1,35

Hình 9-7

Phóng điện dọc

theo chuỗi cách điện

L

H

E

C

A

D

D1

CD1

F

B

LP LP

Trang 4

Sự phân bố điện áp trên các đĩa của chuỗi

cách điện cũng ảnh hưởng đến trị số điện áp phóng

điện Hình 9-8 cho sơ đồ thay thế của chuỗi

Cưđiện dung của từng đĩa cách điện, có trị

số 50 ữ 70 μμF ( 10 -6μF )

C C1, 2ưđiện dung của từng đĩa cách điện đối

với đất và dây dẫn, trị số của chúng phụ thuộc vào

vị trí của từng đĩa trong chuỗi, có thể lấy trung bình

khoảng

, F 5 4

C1 ≈ ữ μμ C1≈ 0 , 5 ữ 1 μμ F , F ( 10 -6

μF )

Sự tồn tại của các điện dung ký sinh làm cho

phân bố điện áp trên các phần tử của chuỗi không

đồng đều

Có thể tính toán sự phân bố điện áp này giả thiết là các trị số C, C1, C2 không đổi dọc theo chuỗi cách điện và được thay thế bằng các tham số phân bố sau đây:

C' =CH, C C

H

'1= 1, C C

H

'2= 2 trong đó Hưđộ cao của đĩa cách điện

Phương trình điện áp và dòng điện tại điểm trên chuỗi cách điện cách xà nối

đất khoảng cách x được viết :

dU

dx j C

dl

dx =U j C x ω '1+ U xưU j Cω '2 (9-2)

Từ các phương trình trên suy ra:

d U

dl dx

C C

2 2

1

ω '

' ' '

' '

và được nghiệm của nó

Ux = A ea x + A eưa x + B

1 1 2 1

C

1 = '1+ '2

'

Từ điều kiện ban đầu: x= 0 U x = 0

x= L U x =U

Hình 9-8

Sơ đồ thay thế của chuỗi cách điện

C1

C C C C C

C2

L

H

x

U

Trang 5

sẽ tìm được các hằng số A1, A2 và B:

(C' C' )sha L 2

e ' C ' UC A

1 2 1

L 1 a 2 1

+

2

e ' C ' C U A

1 2 1

L 1 2 1

+

B U C

C C

=

+

' ' '

2

1 2 Thay vào phương trình sẽ được điện áp tại các điểm (trên chuỗi cách điện):

( )

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

ư +

+

=

L sha

x L cha ' C L sha

x sha ' C ' C ' C ' C

U U

1

1 2 1

1 1 1 2 1

Thay thế các trị số:

L= nH

= 1+ 2 =

1 vào (9-3) sẽ được phương trình của U x theo các tham số tập trung ban đầu và

từ đó suy ra được các kết quả sau đây:

ư Tỷ lệ phân bố điện áp trên từng đĩa cách điện, ví dụ ở đĩa thứ k (tính từ đầu nối đất):

Trang 6

ΔU

k

⎛

⎝⎜

⎞

100

1

1 2

1

ư C sha n k2 ư ư sha n k ư + 1 (9-4)

Quan hệ này được biểu thị trên hình 9-9 (đường 4) ứng với chuỗi cách điện gồm 10 đĩa sứ H-15 Các đĩa chịu sự phân bố điện áp không đồng đều, sứ ở gần dây dẫn phải chịu phần điện áp lớn nhất tới 21% điện áp tác dụng trên cả chuỗi nghĩa là gấp đôi so với khi điện áp phân bố đều

ư Trị số điện áp trên từng đĩa được biểu thị bởi phương trình của dU

dx

x và nơi

mà điện áp phân bố ít nhất sẽ được tính toán theo điều kiện: d U

dx

x

2

2 = 0

Hình 9-9

Phân bố điện áp dọc theo chuỗi 10 sứ

Π - 4,5 khi dùng các loại đai bảo vệ

1 Đai kiểu mạch vòng; 2 Đai hính số 8

3 Đai kiểu sừng; 4 Không có đai bảo vệ

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Trang 7

Từ đó tính được : x

a In

A A

⎝

⎜ ⎞

⎠

⎟

1

2 1

2 1 (9-5)

ứng với đĩa cách điện thứ kmin:

k

a In

C e C

an an

+

ư

1 2

(9-6)

Sự phân bố điện áp không đều có thể dẫn đến việc phát sinh vầng quang ở các

đĩa cách điện gần dây dẫn ngay cả khi với điện áp làm việc, gây nhiễu loạn vô tuyến

điện và ăn mòn các bộ phận kim loại Cách điện gần dây dẫn nhất thường chịu điện

áp giáng khoảng 20% điện áp toàn bộ, như

vậy đối với đường dây 150 kV và điện áp cao hơn thì nó phải chịu điện áp khoảng

20 ữ 25kV trở lên, điện áp này đủ lớn để phát sinh vầng quang Trong các trường

hợp đó phải tiến hành các biện pháp nhằm cải thiện sự phân bố điện áp trên chuôĩ

cách điện

c

d

e

f

g

c

d

e

f

g

C1

C C

C

C C

C2

i1

i2

i3

i4

i5

i1

i2

i3

i4

i5

1

U

Δ

2

U

Δ

3

U

Δ 4

U

Δ

5

U

Δ Dây dẫn Dây dẫn

0

1

2

3

4 5

1

U

Δ ΔU2 ΔU3ΔU4 ΔU5

C1#0

C2#0

C1#0

C1=C2

100% ω

Dây dẫn

Trang 8

Hình 9-10 Phân bố điện áp trên chuỗi gồm 5 cách điện treo

Hình aưảnh hưởng của điện dung C1

i5 > > > >i4 i3 i2 i1

ΔU5 >ΔU4 >ΔU3 > ΔU2 >ΔU1

Hình bưảnh hưởng của điện dung C2

i5 < < < <i4 i3 i2 i1

ΔU5 <ΔU4 <ΔU3 <ΔU2 <ΔU1

Từ sơ đồ thay thế trên hình 9-8 cho thấy, nguyên nhân làm cho điện áp phân

bố không đều là do sự tồn tại của các điện dung ký sinh C1, C2 Chúng có ảnh hưởng ngược nhau đối với sự phân bố điện áp; nếu chỉ xét tác dụng của C1 thì điện

áp giáng trên đĩa cách điện càng ở xa dây dẫn càng bé đi, 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 (hình 9-10) Bởi vậy biện pháp cải thiện sự phân bố điện áp chủ yếu là làm tăng điện dung của đĩa cách điện đối với dây dẫn Khi đường dây dùng dây phân nhỏ (xem chương VII), ngoài tác dụng giảm tổn hao vầng quang dây phân nhỏ còn có tác dụng làm tăng điện dung ký sinh của cách điện đối với dây dẫn khiến cho điện áp phân bố đều hơn và do đó không cần có các biện pháp khác Đai bảo vệ cũng có tác dụng tương tự như trên Hình 9-9 cho các loại đai bảo vệ khác nhau và tác dụng của chúng đối với việc cải thiện phân bố điện áp của chuỗi cách điện

Sự phân bố điện áp như trên là xét trong trường hợp mặt ngoài của chuỗi cách

điện sạch và khô ráo Khi bị mưa ướt và cả khi bề mặt cách điện bị bam sbụi thì phân bố điện áp chủ yếu là do điện dẫn bề mặt và do đó được đều hơn nhiều Điện

áp phóng điện ướt của cả chuỗi cách điện hầu như tỷ lệ với số đĩa và được tính toán theo công thức:

Trong đó : nưsố đĩa cách điện trong chuỗi

Trang 9

E u ưcường độ điện trường phóng điện (mặt ngoài) trung bình, đối với các loại cách điện Π-4,5 ; Π-7; Π-8,5 bằng khoảng 2,15 kV/cm còn đối với loại ΠM-4,5 thì bằng khoảng 2,70 kV/cm

Hưđộ cao của đĩa cách điện, cm

Đ 12-4 Tính toán chọn cách điện của đường dây trên

không

Phần trước đã trình bày các nguyên tắc cơ bản để chọn cách điện của đường dây trên không Nói chung cách điện được chọn theo yêu cầu của quá điện áp nội bộ còn đối với yêu cầu của quá điện áp khí quyển thì được giải quyết sao cho hợp lý về kinh tế kỹ thuật

Như vậy trước hết cách điện phải đảm bảo có trị số điện áp phóng điện ướt cao hơn mức quá điện áp nội bộ tính toán nghĩa là:

Utr ≥ Uqanb

hoặc viết Utr = K Uqanh với K > 1

Hệ số K > 1 là do chú ý đến khả năng lúc phát sinh quá điện áp nội bộ trị số

điện áp nguồn tăng cao ( theo yêu cầu của điều chỉnh điện áp, khi có quá tải diện áp nguồn có thể tăng 15% so với định mức); khả năng làm giảm điện áp phóng điện do

điều kiện khí hậu (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm) không phù hợp; Sự khác nhau giữa điều kiện thí nghiệm và vận hành thực tế; do xét đến dự trữ an toàn và các yếu tố khác

Trong tính toán chọn cách điện thường lấy hệ số K = 1,1, như vậy số đĩa trong chuỗi sẽ được tính theo công thức (đối với các đường dây 35 kV trở lên cột sắt hoặc cột bê tông):

E H

qanb

tr

≥ 1 1,

Số lượng đĩa cách điện thực tế sẽ dựa vào kết quả tính toán của (9-8) cộng thêm một với giả thiết rằng trong vận hành có thể có một đĩa cách điện nào đó bị hư hỏng Đối với chuỗi cách điện ở các cột néo do cách điện phải làm việc dưới tải trọng, cơ giới lán nên số lượng đĩa còn được tăng thêm một cho các đường dây

35 ữ150kV và tăng thêm hai cho các đường dây 220kV trở lên Khi đường dây dùng cột xà gỗ, số lượng cách điện trong chuỗi được giảm đo một so với đường dây cột sắt hoặc bêtông

ở mỗi cột ngoài cách điện thể rắn còn có cách điện khí ( không khí), do đó cần phải xác định khoảng cách không khí tối thiểu từ dây dẫn tới các bộ phận nối

Trang 10

đất của cột điện Khoảng cách này phải có mức cách điện không bé hơn so với của

chuỗi cách điện ( khi điện áp xoay chiều cũng như xung kích)

Bảng 9-5 cho kết quả cách chọn cách điện ở các cột trung gian của đường

dây 35 kV trở lên dùng cột sắt hoặc cột bêtông

-Trị số quá điện áp nội bộ tính toán, kV 77 204 260 381 510 -Bội số quá điện áp nội bộ (trị số tính toán) 3,8 3,2 3 3 2,7

-Điện áp phóng điện trớt của chuỗi sứ, kV 110 256 330 475 585 -Điện áp phóng điện xung kích bé nhất (U50%) của

chuỗi sứ, kV ma x

-Khoảng cách không khí chọn theo sự phối hợp cách

điện với chuỗi sứ, cm

45 115 150 210 255

Ghi chú: ư Khoảng cách không khí giữa dây dẫn tới bộ phận nối đất của cột

điện được xem như khe hở khí " mũi nhọn - cực bản"

ư Bảng 9-5 cho kết quả chọn cách điện khi dùng sứ sứ Π -4,5 Khi dùng các loại cách điện khác có thể tính toán chọn theo phương pháp tương tự

Đối với đường dây 35 kV và điện áp thấp hơn, do mức cách điện xoay chiều

của cách điện có độ an toàn cao nên có thể đảm bảo được yêu cầu của quá điện áp

nội bộ Đối với yêu cầu của quá điện áp này thì mức cách điện phải tăng rất cao và

sẽ không kinh tế Nhìn chung trong các trường hợp này việc lựa chọn điện tương đối

đơn giản, cách điện đã được chế tạo ứng với từng cấp điện áp định mức của đường

dây Khi cần thiết phải tăng cường cách điện để bảo vệ chống quá điện áp khí quyển

có thể dùng các biện pháp sau đây:

ư Dùng chuỗi cách điện treo thay cho loại cách điện có chân sắt, như ở

đường dây 20 ữ 35kV khi dùng chuỗi có 3 đĩa cách điện sẽ tăng mức cách điện xung

kích từ hai lần trở lên

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	253,1 KB