Kỹ thuật cao áp - Chương 11 ppsx

Điện áp phóng điện khô được xác định khi mặt ngoài của cách điện sạch sẽ khô ráo và có hiệu chỉnh về điều kiện khí hâụ và độ ẩm tuyệt đối tiêu chuẩn của môi trường không khí Trị số điện

Phần hai Cách điện dùng trong hệ thống điện

Chương XI Cách điện của hệ thống điện

Đ 11-1 Các đặc tính điện vμ cơ sở cách điện.

1 Đặc tính điện

Cách điện dùng trong hệ thống thường gặp là các loại điện môi thể khí (không khí ) thể rắn (sứ, thuỷ tinh ) và thể lỏng (dầu cách điện dùng trong máy biến áp, cáp, tụ

điện ) Đối với cách điện thể rắn, đặc tính cách điện của nó có thể bị phá huỷ theo một trong hai khả năng sau đây:

ư Chọc thủng nghĩa là khi phóng điện xảy ra trong nội bộ thể tích của điện môi Trường hợp này xem như bị hư hỏng hoàn toàn vì tính chất cách điện không thể phục hồi lại được đồng thời còn kèm theo các phá hoại về cơ khí

ư Phóng điện theo bề mặt cách điện Khi xẩy ra phóng điện theo bề mặt chỉ cần chú ý đến tình trạng mặt ngoài bị đốt cháy dưới tác dụng của tia lửa điện Nếu phóng

điện được loại trừ nhanh chóng(như khi có rơle bảo vệ cắt mạch điện áp ) trong đa số các trường hợp cách điện vẫn có thể tiếp tục làm việc Do đó trong chế tạo cách điện thể rắn đã chọn sao cho điện áp phóng điện mặt ngoài bé hơn điện áp chọc thủng một cách đáng kể, đảm bảo chỉ để xảy ra phóng điện theo bề mặt

Đặc tính điện của cách điện được đặc trưng bởi các trị số sau đây:

ư Điện áp phóng điện tần số công nghiệp khi bề mặt cách điện khô và ướt Trị số này dùng để tính toán chọn cách điện theo yêu cầu của điện áp nội bộ

ư Đặc tính vôn - giây dùng để chọn cách điện theo yêu cầu của quá điện áp khí quyển

a) Điện áp phóng điện tần số công nghiệp

Đối với cách điện làm việc trong nhà dùng điện áp phóng điện khô còn với cách

điện làm việc ngoài trời dùng điện áp phóng điện ướt Điện áp phóng điện khô được xác

định khi mặt ngoài của cách điện sạch sẽ khô ráo và có hiệu chỉnh về điều kiện khí hâụ

và độ ẩm tuyệt đối tiêu chuẩn của môi trường không khí

Trị số điện áp phóng điện ướt ứng với trường hợp mặt ngoài cách điện bị mưa ướt, trị số này phụ thuộc rất nhiều vào tình hình mưa ( cường độ mưa, phương và dạng của tia nước và điện dẫn của nước mưa ) cho nên có thể so sánh trước tiên cần phải " tiêu

chuẩn hoá" mưa Ví dụ Liên xô khi xác định bằng thực nghiệm điện áp phóng điện ướt của cách điện làm việc ngoài trời, dùng mưa nhân tạo có cường độ mưa 3 mm/ phút,

điện trở suất nước mưa khoảng 104 Ω cm (ở nhiệt độ t = 20oC) phương mưa theo góc tưới 45o so với đường trục của cách điện, tia nước mưa có kết cấu từng hạt Điện áp phóng điện ướt cũng phải hiệu chỉnh về điều kiện khí hậu tiêu chuẩn nhưng chỉ cần hiệu chỉnh theo áp suất còn nhiệt độ thì không có ảnh hưởng đáng kể Sự hiệu chỉnh này xuất phát từ hiện tượng là đường phóng điện ướt có một phần đi men theo mặt ngoài của cách điện còn một phần chọc thủng qua khe hở khí Nếu phần đi qua khe hở khí chiếm tỷ lệ lớn thì ảnh hưởng của áp suất đối với điện áp phóng điện ướt càng mạnh Để được đơn giản, thường giả thiết là khe hở khí chiếm một nửa đường phóng

điện, như vậy việc hiệu chỉnh theo áp suất sẽ tính toán theo công thức:

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎡

⎣

⎢0 5 1, 760 ⎤⎦⎥ (11-1)

Trong đó:

Uuư trị số điện áp phóng điện ướt ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn

Uư điện áp phóng điện ướt khi áp suất khác với áp suất tiêu chuẩn

pư áp suất của không khí mm Hg

b) Đặc tính vôn - giây

Đặc tính vôn - giây biểu thị mức cách điện xung kích của cách điện Nó được xác

định với dạng sóng tiêu chuẩn ± 1,5/40 μs ở cả hai cực tính dương và âm Thường chỉ xây dựng đặc tuyến vôn - giây khi mặt ngoài cách điện khô và sạch, cách điện bị ướt có làm giảm điện áp phóng điện nhưng không đáng kể (chỉ khoảng 2 ữ 3%)

Trường hợp không xây dựng được hoặc không có đường đặc tính vôn - giây, có thể dùng trị số điện áp phóng điện bé nhất U50% để biểu thị mức cách điện xung kích của cách điện

Các số liệu về điện áp phóng điện xung kích cũng phải hiệu chỉnh về điều kiện khí hậu tiêu chuẩn

Ngoài các đặc tính phóng điện nói trên, đối với cách điện còn quy định thêm về

điện áp thí nghiệm tần số công nghiệp và xung kích Trị số của chúng được quy định trong trường hợp cụ thể Yêu cầu đối với cách điện là phải chịu đựng được các mức

điện áp này mà không bị phóng điện hay hư hỏng

Điện áp thí nghiệm tần số công nghiệp là điện áp mà cách điện phải chịu được

kích tiến hành với dạng sóng tiêu chuẩn khi toàn sóng và sóng cắt ở 2μs ( cắt bằng khe

hở của hai quả cầu) Cách điện phải chịu đựng được ba lần tác dụng của điện áp thí nghiệm xung kích toàn sóng và sau đó chịu tác dụng của ba lần điện áp thí nghiệm xung kích sóng cắt

2 Đặc tính cơ

ở trạng thái làm việc bình thường cũng như khi có sự cố cách điện đều phải chịu tác dụng của những lực cơ học rất lớn, ví dụ loại cách điện treo trên đường dây chịu lực kéo, loại cách điện đỡ chịu lực uốn v.v

Đặc tính cơ chủ yếu của cách điện là " độ bền cơ giới đảm bảo", đó là tải trọng nhỏ nhất có thể phá hoại cách điện với điều kiện là tải trọng đó tăng dần và đêù Tuy vậy khái niệm có tính chất thuần tuý cơ giới này không thể đánh giá toàn diện về chất lượng của cách điện vì ngay ở tải trọng nhỏ hơn độ bền cơ giới đảm bảo đã có những vết rạn nứt nhỏ, ví dụ các vết rạn nứt phái dưới mũ kim loại của cách điện treo, chúng có thể gây ảnh hưởng xấu đến đặc tính điện thậm chí còn có thể làm mất hẳn khả năng cách

điện Do đó đối với loại cách điện này phải tiến hành thí nghiệm phối hợp với cả hai loại phụ tải cơ điện: Đồng thời với việc tăng dần tải trọng cơ giới còn cho tác dụng điện

áp bằng 75 ữ 80 % trị số điện áp phóng điện khô Các hư hỏng nhỏ sẽ được phát hiện

do cách điện bị chọc thủng và trị số tải cơ học ứng với lúc này được gọi là " độ bền cơ

điện"

Trong vận hành còn quy định thêm về " tải trọng thí nghiệm một giờ", có trị số bằng khoảng 75% độ bền cơ điện Cách điện phải chịu được tải trọng này trong suốt một giờ mà không bị hư hỏng ( vẫn cho tác dụng điện áp bằng 75 ữ 80 % trị số điện áp phóng điện khô)

Trị số " tải trọng cực đại cho phép" của loại cách điện treo được lấy bằng một nửa tải trọng thí nghiệm một giờ

Đ 11-2 Các điều kiện để lựa chọn mức cách điện của hệ thống

Mức cách điện của hệ thống thường chọn theo các điều kiện sau đây:

1 Trị số điện áp làm việc lớn nhất cho phép trong thời gian dài

2 Trị số của quá điện áp nội bộ

3 Trị số của quá điện áp khí quyển

Điện áp làm việc lớn nhất trong thời gian lâu dài có thể đưa đến khả năng chọc thủng cách điện do nhiệt, hoặc làm xấu cách điện do các hiệu ứng có tính chất tích

luỹ , và trong một số thiết bị điện cũng như thiết bị bảo vệ, điện áp làm việc lớn nhất quyết định điều kiện dập tắt hồ quang

Trị số điện áp làm việc lớn nhất phụ thuộc vào điện áp định mức của hệ thống và phương thức nối đất của điểm trung tính

Trong hệ thống do yêu cầu điều chỉnh điện áp, điện áp dây được chọn cao hơn trị

số định mức khoảng 15 % nghĩa là:

Khi điểm trung tính của hệ thống trực tiếp nối đất, trị số điện áp làm việc lớn nhất

sẽ lấy theo điện áp pha và có trị số bằng 115

3

, U dm

Còn khi điểm trung tính cách điện ( hoặc nối đất qua cuộn dây hồ quang) sẽ lấy theo điện áp dây và bằng 1,15 Udm

Trong vận hành, quá điện áp tác dụng lên cách điện gồm có hai loại: quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ

Quá điện áp khí quyển là do khi có sét đánh thẳng vào đường dây hoặc khi sét đánh gần và gây cảm ứng trên đường dây Trường hợp đầu nguy hiểm nhất và được chọn làm

điều kiện tính toán chọn cách điện và xác định trị số điện áp thí nghiệm xung kích Trị

Đối với đường dây có dây chống sét, quá điện áp khí quyển tác dụng lên cách điện

đường dây là phóng điện ngược từ các bộ phận nối đất của cột điện ( dây chống sét, xà ) tới dây dẫn và có khả năng đưa đến ngắn mạch làm nhảy máy cắt điện Dòng

điện sét tới hạn để có thể gây nên phóng điện ngược nói trên được gọi là " mức chịu sét" của đường dây, nó phụ thuộc vào khả năng cách điện và trị số điện trở nối dất của cột điện Khi cách điện của đường dây có dây chống sét được chọn theo điều kiện quá

điện áp nội bộ và nối đất cột điện thực hiện đúng theo các yêu cầu kỹ thuật trong các quy trình, quy phạm hiện hành thì có thể đạt được mức chịu sét rất cao Ví dụ khi đi trong vùng dất có ρ ≤ 104 Ωcm mức chịu sét của đường dây có thể đạt tới:

120 kA đối với đường dây 110 kV

150 kA đối với đường dây 154 kV

200 kA đối với đường dây 220 kV

Xác suất xuất hiện dòng điện sét có các trị số trên rất bé nhỏ, điều đó chứng tỏ đường dây có điện áp định mức càng cao thì yêu cầu đối với việc bảo vệ chống quá điện áp khí quyển càng được giảm nhẹ, nói cách khác khi cách điện chọn theo điều kiện của quá điện

áp nội bộ đã có thể thoả mãn phần lớn yêu cầu của quá trình điện áp khí quyển

Khi đường dây không có dây chống sét, quá điện áp khí quyển trên dây dẫn có trị

số bằng U= I Z 100I s

4 ≈ ( Z- tổng trở sóng của đường dây, khoảng 400Ω) Từ công thức nhận thấy Với dòng điện sét không lớn đã có thể gây nên phóng điện trên cách

điện, như vậy mức chịu sét của đường dây khi không có dây chông sét rất thấp Tăng cường cách điện để đạt mức chịu sét cao sẽ rất tốn kém Trong tính trị số dòng điện sét thường lấy khoảng 100 ữ 150 kA, do đó để không xẩy ra phóng điện đường dây phải

đạt được mức cách điện xung kích tới 10000 ữ 15000 kVA Điều đó không thể thực hiện được và như vậy có nghĩa là không thể tránh được các phóng điện xảy ra trên cách

điện mà chỉ có thể giải quyết bằng cách hạn chế hậu quả của các phóng điện đó như giảm xác suất chuyển từ hình thức phóng điện tia lửa sang hình thức hồ quang ổn định hoặc nếu có hồ quang thì phải dập tắt nhanh chóng để không làm nhảy máy cắt điện

Đối với đường dây cột gỗ, do gỗ cũng thể hiện như một loại vật liệu điện khi có

điện áp xung kích ( cường độ cách điện khoảng 100kV ma x/m) nên mức chịu sét của

đường dây được nâng cao lên rất nhiều so với đường dây cột sắt ( bê tông) cùng cấp

điện áp Nhưng đặc điểm nổi bật cuả gỗ là ở chỗ làm tăng chiều dài của khe phóng điện giữa các pha cũng như giữa pha với đất nên građiện điện áp làm việc phân bố dọc theo khe phóng điện bé, làm giảm xác suất thành hồ quang ngắn mạch ốn định, do đó phần lớn các tia lửa của phóng điện sét được dập tắt ngay và đường dây vẫn tiếp tục vận hành bình thường Đối với điện áp xoay chiều, gỗ không phải là điện môi và có điện dẫn khá lớn Dòng điện có thể làm cho gỗ bị cháy nên ở các đường dây này vẫn cần có cách

điện thể rắn như sứ hoặc thuỷ tinh tuy số lượng cách điện có ít hơn so với đường dây cột sắt (thường ít hơn một đĩa) Khi đường dây đi trong vùng có bụi bẩn việc dùng gỗ bị hạn chế, đặc biệt không nên dùng xà gỗ vì xà thường bị cháy do rò điện giữa các pha

Đối với đường dây cột sắt, không thể giải quyết bằng cách giảm xác suất hình thành hồ quang ngắn mạch ổn định mà chủ yếu là nhanh chóng dập tắt nó Điều này còn phụ thuộc vào phương thức nối đất của điểm trung tính hệ thống Khi điểm trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang, nếu dòng điện sét không lớn lắm thì chỉ có thể gây nên ngắn mạch (ổn định) một pha Hồ quang sẽ được dập tắt do tác dụng của cuộn dập hồ quang, nếu không hệ thống vẫn có thể tiếp tục vận hành trong một thời gian nhất định Khi dòng điện sét lớn sẽ dẫn đến ngắn mạch giữa các pha và làm nhảy máy cắt điện, nhưng khả năng này phụ thuộc rất nhiều vào tình hình nối đất cột điện Nếu có điều kiện giảm càng thấp trị số điện trở nối đất (như ở các vùng đồng bằng) thì số lần nhảy máy cắt điện càng ít Khi điểm trung tính trực tiếp nối đất, các

ngãn mạch chạm đất một pha do sét gây nên đều dẫn đến nhảy máy cắt điện Trong trường hợp này, để đảm bảo việc cung cấp điện liên tục phải dùng thiết bị tự động đóng lại ( TĐL) Việc dùng thiết bị tự đóng lại là hợp lý vì sự cố do sét gây nên là các sự cố tạm thời, không yêu cầu sửa chữa hoặc thay thế các bộ phận của đường dây

Từ các phần trình bày trên cho thấy, quá điện áp khí quyển cũng không phải là

điều kiện quyết định trong việc lựa chọn cách điện đường dây Đối với các đường dây

điện áp cao, nó được giải quyết kết hợp theo điều kiện của quá điện áp nội bộ còn ở các

đường dây điện áp thấp hơn thì chỉ có thể phối hợp với các biện pháp khác để hạn chế các tác hại do nó gây nên

Quá điện áp do sét đánh trên đường dây không những chỉ tác dụng lên cách điện

đường dây mà còn truyền dọc theo đường dây vào trạm biến áp Trong quá trình truyền trên đường dây, sóng quá điện áp sẽ giảm dần tới mức cách điện (xung kích) của đường dây do có phóng điện tại các cột mà sóng đi qua Để bảo vệ cách điện của trạm đối với quá điện áp truyền từ dây, hiện nay thường dùng loại chống sét van (PBC) cấu tạo bởi các tấm điện trở không đường thẳng và chuỗi gồm nhiều khe hở phóng điện Khi có quá

điện áp, khe hở bị chọc thủng sẽ có tác dụng ghép mạch điện trở không đường thẳng với mạch tổng trở sóng của đường dây ( Z= 100Ω), do đó điện trở không đường thẳng càng bé thì quá điện áp đặt trên chống sét van và cũng là quá điện áp tác dụng lên cách

điện của trạm càng được giảm thấp Sau khi hết quá điện áp, trong chống sét van sẽ còn dòng điện tần số công nghiệp của điện áp làm việc nhưng hồ quang của nó thường được dập tắt ngay khi dòng điện này qua trị số không lần đầu tiên

Tính chất không đường thẳng của điện trở làm cho đặc tính vôn - ăm pe của chống sét van có dạng

U =CIα ≈CI0 25,

từ đó có thể viết gần đúng biểu thức:

Uxc

I Ixc

I I

xc

= ⎛

⎝⎜ ⎞⎠⎟ =

α

(11-3)

Trong đó Uxk I xk là điện áp và dòng điện qua chống sét van khi có quá điện áp khí quyển (xung kích) còn Uxe Ixe là khi có điện áp làm việc ( xoay chiều)

Thường trong chế tạo chống sét van, trị số dòng điện Ixk được giới hạn trong khoảng 5 ữ10 kA và Ixe khoảng 80A, như vậy có thể xác định gần đúng trị số Uxk:

Trong công thức trên Uxe là trị số điện áp lớn nhất đặt trên chống sét van ở pha không có sự cố khi có một pha chạm đất Như vậy trong hệ thống có điểm trung tính cách điện Uxe có trị số bằng1,15Ud còn trong hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối

đất Uxe sẽ bằng 0,8Ud Trị số U xk là điện áp dư của chống sét van, đó là cơ sở để xác

định mức cách điện xung kích của trạm Trong các năm gần đây do dây chất lượng của chống sét van đã được cải tiến nhiều nên đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc giảm nhẹ mức cách điện xung kích của trạm biến áp

Trong hệ thống điện khi có thao tác hoặc có các nguyên nhân khác làm thay đổi tham số của hệ thống sẽ có quá trình quá độ từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn

định khác, thực chất của các quá trình này là các giao động điện từ trong mạch gồm

điện cảm và điện dung và gây nên quá điện áp nội bộ Các loại quá điện áp nội bộ trầm trọng nhất xảy ra trong các trường hợp sau đây

ư Một phần năng lượng từ trường 1

2

2

LI

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟chuyển thành năng lượng điện trường 1

2

2

CU

⎛

⎝⎜ ⎞⎠⎟và được tích luỹ trong điện dung có trị số bé, lúc này điện áp trên điện dung

C

= sẽ rất lớn trường hợp này ứng với khi cắt mày biến áp không tải và hồ

quang bị dập tắt cưỡng bức

ư Điện cảm và điện dung trong hệ thống phát sinh cộng hưởng ở tần số công nghiệp hoặc ở tần số cao như trong trường hợp bị đứt dây, điện cảm của cuộn dây máy biến áp phát sinh cộng hưởng với điện dung của đường dây

ư Trường hợp hồ quang của ngắn mạch chạm đất lúc cháy lúc tắt gây nên nhiều

đợt giao động

Vì quá điện áp nội bộ được duy trì bởi năng lượng của bản thân hệ thống nên độ lớn của nó có liên quan đến điện áp định mức của hệ thống, điện áp định mức nâng cao thì quá điện áp càng lớn cho nên quá điện áp nội bộ được biểu thị bằng số bội của điện

áp pha hệ thống Tuy vậy trong các hệ thống điện áp cao do trị số tuyệt đối của quá

điện áp nội bộ rất lớn, vầng quang xuất hiện trên dây dẫn sẽ làm giảm quá điện áp , do

đó với cùng một loại quá điện áp nội bộ thì số bội ở hệ thống có điện áp cao sẽ có trị số

bé so với hệ thống điện áp thấp hơn Trị số quá điện áp nội bộ còn phụ thuộc vào phương thức nối đất của điểm trung tính hệ thống Khi điểm trung tính cách điện đối với đất, quá điện áp nội bộ có trị số lớn vì nó phát sinh dưới tác dụng của điện áp dây

còn hệ thống có điểm trung tính trực tiếp nối đất thì bé hơn vì phát sinh dưới tác dụng của điện áp pha

Bảng 8-1 cho các trị số lớn nhất của các loại quá điện áp nội bộ trong các hệ thống điện

Bảng 11-1 Trị số của các loại quá điện áp nội bộ

Phương thức nối

đất của điểm

trung tính

Điểm trung tính cách điện (60kV và thấp hơn)

Điểm trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang (220 kV và thấp hơn)

Điểm trung tính trực tiếp nối đất (110ữ 220 kV)

Quá điện áp khi có hồ

quang ngắn mạch

chạm đất

3,15 Uph

2,8 Uph

2,3 Uph

Quá điện áp khi cắt

máy biến áp không

tải

1 ữ 4,5 Uph 4 ữ 4,5 Uph ( )

U kV

U kV ph

ph

,

⎧

⎨

⎪

⎩⎪

Quá điện áp khi cắt

đường dây không tải

3 1 110

, ,

ph ph

⎧

⎨

⎪

⎩⎪

(khi tiếp điểm này cắt có điện trở ghép song song có thể giảm tới 2U ph)

Quá điện áp nội bộ là cơ sở chủ yếu để lựa chọn cách điện của hệ thống và trị số

điện áp thí nghiệm tần số công nghiệp (khô và ướt)

Việc lựa chọn mức cách điện cho từng cấp điện áp định mức là vấn đề có nghĩa rất lớn về kinh tế kỹ thuật Mức cách điện phải giữ cố định ít nhất trong thời gian 5 năm hoặc dài hơn vì các thiết bị điện thường được chế tạo hàng loạt Ngoài việc lựa

cứu về sự phối hợp cách điện giữa các bộ phận trong hệ thống Trong thời gian trước, khi chưa có xuất hiện loại chống sét van, việc phối hợp cách điện được tiến hành theo nguyên tắc sau đây:

ư Trong việc phối hợp cách điện giữa đường dây và trạm biến áp, giữ không để xảy ra phóng điện trên cách điện của trạm mà dồn về phía đường dây, nói cách khác xem đường dây như là một loại thiết bị phóng điện đặc biệt Nguyên tắc này được thực hiện bằng cách giảm thấp mức cách điện đường dây ở các đoạn tới trạm

ư Trong việc phối hợp giữa cách điện bên trong và cách điện bên ngoài, yêu cầu cường độ xung kích của cách điện bên trong phải lớn hơn rất nhiều so với của cách điện bên ngoài

Các nguyên tắc trên đây đều xuất phát từ yêu cầu đảm bảo an toàn cho thiết bị

và hạn chế tới mức thấp nhất hâụ quả do phóng điện gây nên Thực hiện sự phối hợp như trên sẽ phải tăng cường cách điện của các thiết bị trong trạm biến áp và cách điện bên trong làm cho kết cấu cách điện càng thêm phức tạp và tốn kém

Khi có xuất hiện loại chống sét van, các nguyên tắc phối hợp trên được thay thế bởi sự phối hợp giữa mức cách điện xung kích của thiết bị điện với mức bảo vệ của chống sét van biểu thị bởi trị số điện áp dư của nó Theo nguyên tắc đó, nếu các thiết bị

điện trong trạm được nằm trong phạm vi bảo vệ của chống sét van thì sẽ tránh được mọi phóng điện xảy ra trên cách điện và do đó không cần phải có sự phối hợp cách điện giữa trạm với đường dây cũng như giữa cách điện bên trong với cách điện bên ngoài