CHƯƠNG 12 đặc TÍNH CÁCH điện

 PhóngưđiệnưvầngưquangưVầngưquangưvàưcácưđặcưtính Vầng quang là dạng phóng điện tự duy trì nh ng không hoàn toàn đặc tr ng cho sự phóng điện trong điện tr ờng không đồng nhất Tuy ph

CHươNGư12 ĐặCưTíNHưCáCHưđIệN

12.1 Đặcưtínhưưđiệnưcủaưcáchưđiện

12.2 Đặcưtínhưcơưcủaưcáchưđiện

12.2 Cácưđiềuưkiệnưđểưlựaưchọnưcáchưđiệnưcủaưhệưthống

11/08/15 Page 2

 Điệnưápưlàmưviệcưcủaưhệưthốngưđiện

Trong vận hành điện áp có thể khác điện áp định mức do tổn thất điện áp trên các phần tử khi có dòng

điện đi qua và do điều chỉnh điện áp phía nguồn Điện áp làm việc lớn nhất tại một điểm bất kỳ trong hệ thống điện không đ ợc v ợt quá trị số cho trong bảng

Lựa chọn chế độ điểm trung tính của l ới điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất

là khả năng chế tạo cách điện của trang bị điện kinh tế hơn và tạo hiệu quả cao về loại trừ sự cố chạm đất một pha, sự cố đ ợc xem là dạng phá huỷ cách điện phổ biến nhất

Cách điện của các thiết bị điện luôn luôn chịu tác động của điện áp làm việc

Trị số trung bình điện áp dây của thiết bị điện gọi là điện áp định mức

Dải điện áp làm định mức của các đ ờng dây truyền tải điện và trang bị điện

hợp lý hơn cả về mặt kinh tế là sử dụng nối đất trực tiếp

Trong tr ờng hợp này có thể giảm đ ợc kích th ớc của cách điện dang kể, sự cố ngắn mạch đ ợc loại trừ nhờ thiết bị bảo vệ rơ le và tự động đóng lại Khi xuất hiện ngắn mạch trên đ ờng dây, thiết bị tự động

đóng lại sẽ cắt đ ờng dây trong một khoảng thời gian đủ đê dập tắt hồ quang tại điểm chạm đất, sau

đó tự động đóng lại

Nếu tự động đóng lại thành công, phía phụ tải không nhận biết đ ợc

 ph ơng pháp loại trừ ngắn mạch là bù dòng điện tại điểm chạm chập bằng cuộn dập hồ quang nối vào điểm trung tính của máy biến áp

Nhờ bù dòng điện dung và giảm năng l ợng hồ quang tại chỗ chạm chập không thể duy trì lâu và nhanh chóng đ ợc dập tắt Kích th ớc cách điện của các trang bị điện 6-35 kV xác định không phải bởi tác động điện áp, mà chủ yếu là độ bền cơ cần thiết

Đốiưvớiưcácưthiếtưbịưđiệnưđiệnưápưlớnưhơn::44ỡ44::kV

Đốiưvớiưcácưlướiưđiệnư6-35ưkV

11/08/15 Page 4

•Từưnhữngưtrìnhưbàyưtrênưđâyưthìưtrongưthiếtưkếưcáchưđiệnưcầnưđưaưraưdựưtrữưđộưbềnưcáchưđiệnưtốiư

ưu,ưcònưtrongưvậnưhànhưlạiưphảiưdựưbáoưđượcưtìnhưtrạngưcáchưđiệnưbênưtrongưvàưcóưcácưbiệnưphápư

đểưđảmưbảoưgiữưcáchưđiệnưbênưngoài.

 cách điện đ ờng dây truyền tải điện và các trạm phân phối ngoài trời th ờng bị nhiễm bẩn và bị ẩm,

do đó điện áp phóng điện cũng bị giảm Yếu tố này cũng cần đ ợc xem xét trong vận hành

 Cách điện bên trong của trang bị điện trong quá trình vận hành không chỉ chịu tác động của điẹn

áp, mà còn bị tác động bởi nhiệt độ và tác động cơ học, bị ẩm, bị phân huỷ làm cho độ bền cách

điện bị giảm : cách điện bị già cỗi (lão hoá)

 Trong vận hành dài hạn cần thiết phải tính đến các quá trình làm suy giảm cách điện và các hiện t ợng tổn thất năng l ợng và có ảnh h ởng đến sinh thái Một trong những hiện t ợng loại này là phóng

điện vầng quang trên các đ ờng dây tải điện trên không Phóng điện vầng quang gây tổn thất đáng kể năng l ợng , gây nhiễu đối với các thiết bị thu thanh và gây tiếng ồn

 Phóngưđiệnưvầngưquangư

Vầngưquangưvàưcácưđặcưtính

Vầng quang là dạng phóng điện tự duy trì nh ng không hoàn toàn

đặc tr ng cho sự phóng điện trong điện tr ờng không đồng nhất

Tuy phóng điện đạt đ ợc điều kiện phóng điện tự duy trì nh ng dòng không thể kéo dài trên toàn bộ khoảng cực mà chỉ giới hạn trong phạm vi rất hạn chế quanh khu vực điện cực bán kinh cong bé

Trong điện tr ờng dây dẫn - mặt đất, mũi nhọn - mặt phẳng, xung quanh dây dẫn hoặc mũi nhọn hình thành một miền ion hoá gọi là quầng của vầng quang

 Các quá trình ion hoá mãnh liệt cũng nh quá trình kết hợp hoặc trở về trạng thái bình th ờng của các phân tử khí bị kích thích phát sinh rất nhiều các photon khiến cho vùng hẹp này toả sáng và vì thế có tên gọi là vầng quang

11/08/15 Page 6

Các ion xuất hiện do phóng điện vầng quang d ới tác dụng của điện tr ờng sẽ dịch chuyển ra phía ngoài và hình thành dòng điện vầng quang

Điện áp tăng cao thì số ion tăng và dòng điện vầng quang tăng

Quan hệ dòng điện vầng quang với điện áp tác dụng là một đặc tính năng l ợng cơ

bản của phóng điện vầng quang và đ ợc gọi là đặc tính volt-ampe của vầng quang

Dù khi xuất hiện vầng quang, cách điện không bị đánh thủng nh ng quá trình này xuất hiện kèm theo tổn hao năng l ợng, tạo những thành phần hoá học có hại cho môi tr ờng và các cách điện khác do vậy cần phải nghiên cứu kỹ l ỡng

Phóng điện vầng quang th ờng đ ợc nghiên cứu trong điện tr ờng điển hình khe hở mũi nhọn - cực bản, trong đó mũi nhọn thay thế cho dây dẫn có bán kính nhỏ

Chọc thủng nghĩa là khi phóng điện xảy ra trong nội bộ thể tích của điện môi (cách

điện bị xem h hỏng hoàn toàn vì tính chất cách điện không thể phục hồi, đồng thời còn kèm theo các phá hoại vể cơ khí)

Phóng điện theo bề mặt cách điện Khi xảy ra phóng điện theo bề mặt chỉ cần chú ý

đến tình trạng mặt ngoài bị đốt cháy d ới tác dụng của tia lửa điện

 Nếu phóng điện đ ợc toại trừ nhanh chóng (nh khi có rơle bảo vệ cắt mạch điện áp) trong đa số tr ờng hợp cách điện vẫn có thể tiếp tục làm việc

 Do đó trong chế tạo cách điện thể rắn đ ợc chọn sao cho điện áp phóng điện mặt ngoài bé hơn điện áp chọc thủng một cảnh đáng kể đảm bảo chỉ để xây ra phóng điện theo bề mặt

11/08/15 Page 8

a)ưưĐiệnưápưphóngưđiệnưtầnưsốưcôngưnghiệp

 Đối với cách điện làm việc trong nhà dùng điện áp phóng điện khò còn với cách điện làm việc ngoài trời dùng điện áp phóng diện ớt Điện áp phóng điện khô đ ợc xác định khi mặt ngoài của cách điện sạch sẽ khô ráo và có hiệu chỉnh òê điều kiện khí hậu và độ ầm tuyệt đối tiêu chuẩn của môi tr ờng không khí

 Trị số điện áp phóng điện ớt ứng với tr ờng hợp mặt ngoài cách điện bị ớt, trị số này phụ thuộc rất nhiều vào tình hình m a (c ờng độ, ph ơng và dạng của tia n ớc và điện dẫn của n ớc m a) cho nên để

có thể so sánh tr ờc tiên cần phải tiêu chuẩn hóa m a

Vi dụ ở Liên xó khi xác định bằng thực nghiệm điện áp phóng điện ớt của cách điện làm việc ngoài trời dùng m a nhân tạo có c ờng độ m a 3 mm/phút, điện trở suất của n ớc m a khoảng 10 14 Wcm (ở nhiệt độ

t = 20 o C) ph ơng m a theo góc t ới 40o so với đ ờng trục của cách điện, tia n ớc m a có kết cấu từng hạt.

 Điện áp phóng điện ớt cũng phải hiệu chỉnh về điều kiện khí hậu tiêu chuẩn nh ng chỉ cần hiệu chỉnh theo áp suất còn nhiệt độ thì khòng có ảnh h ởng đáng kể

 Sự hiệu chỉnh này xuất phát từ hiện t ợng là đ ờng phóng điện ớt 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 chíếm tỷ lệ lớn thì ảnh h ởng của áp suất đối với điện áp phóng diện

ớt càng mạnh Để đ ợc đơn giản th ờng giả thiết là khe hở khí chiếm một nửa đ ờng phóng điện, nh vậy việc hiệu chỉnh theo áp suất sẽ tính toán theo công thức

=

7601

5,

U

b) Đặc tính vôn –giây

 Đặc tính vôn - giây biểu thị mức cảnh điện xung kich của cánh điện Nó đ ợc xác định bằng dạng sóng tiêu chuẩn 1,5/40às ờ cả hai cực tính d ơng và âm Th ờng chỉ xây dựng đặc tính vôn- giây khi mặt ngoài cách điện khô và sạch, cách điện bị ớt có làm giảm điện áp phóng điện nh ng không đáng

kể (chỉ khoảng 2 - 3%)

 Tr ờng hợp không xây dựng đ ợc hoặc không có đ ờng đặc tinh vôn giây có thể dùng trị số điện áp phóng điện bé nhất U50% để biểu thị mức cách điện xung kich của cách điện Các số liệu về điện áp phóng điện xung kích 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 thử nghiệm tần số công nghiệp và xung kich Trị số của chúng đ ợc quy định trong từng tr ờng hợp cụ thể Yêu cầu đối với cách điện là phải chịu đựng đ ợc các mức điện áp này mà không bị phóng điện hay h hỏng

 Điện áp thử nghiệm tần số cống nghiệp là điện áp mà cách điện phải chịu đ ợc trong thời gian một phút khi mặt ngoài của nó khô và sạch

 Điện áp thí nghiệm xung kích tiến hành với dạng sóng tiêu chuẩn toàn sóng và sóng cắt ở 2ms (cắt bằng khe hở của hai quả cầu) Cách điện phải chịu đựng đ ợc ba lần tác dụng của điện áp thí

điện treo, chúng có thể gây ảnh h ởng xấu đến đặc tinh điện thậm chí còn có thể làm mất hẳn khả năng cách điện

 Do đó đối với loại cách điện nảy 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 cho cho tác dụng điện áp bằng 75 - 80% trị số điện áp phóng điện khò Các h hỏng nhỏ sẽ đ ợc phát hiện do cách điện bị chọc thủng và trị số tải cơ học ứng với lúc này đ ợc gọi là độ bền cơ điện

 Trong vận hành còn quy định thêm về tải trọng thí nghiệm một giờ có trị sổ bằng khỏang 75% độ bền cơ điện Cách điện phải chịu đ ợc tải trọng này trong thời gian một giờ mà không bị h hỏng (vẫn cho tác dụng điện áp bắng 75 - 80% trị số điện áp phóng khô)

 Trị số tải trọng cực đại cho phép của loại cách điện treo đ ợc ấy bằng một nửa tải trọng thí nghiệm một giờ

Đặcưtínhưcơ

Mức cách điện của hệ thống th ớng chọn theo các điều kiện sau đây

Trị số điện áp làm việc lớn nhất cho phép trọng thời gian dài

Trị số của quá điện áp nội bộ

Trị số của quá điện áp khí quyển

Điện áp làm việc lớn nhất trong thời gian lâu dài có thể đ a 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 nh thiết bị bảo vệ điện áp làm việc lớn nhất quyết định điều kiện dập tất hồ quang

Trị số điện áp làm việc lớn nhất phụ thuộc vào điện áp định mức của hệ thống và ph ơng thức nối

đất của điểm trung tính

Ud= 1,15 Uđm

 Trong hệ thống do yêu cầu điều chỉnh điện áp, điện áp dây đ ợc chọn cao hơn trị số danh định khoảng 15%

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

11/08/15 Page 12

Mỗi cấp điện áp làm việc đều yêu cầu mức cách điện t ơng ứng nh ng khi lựa chọn mức cách điện thì yếu tố quyết định lại là hai điều kiện sau tức là theo yêu cầu của các toại quá điện áp

Điều đó là do quá điện áp có trị số rât lớn so với điện áp làm việc và điện áp chọc thủng cũng nh

điện áp phóng điện theo bề mặt cách điện chỉ phụ thuộc vào biên độ điện áp tác dụng lên nó

Chỉ trong một số ít tr ờng hợp cụ thể, khi chọn mức cách điện cần xét thêm điện áp làm việc, ví dụ nh

đối với cách điện xuyên kiểu tụ điện phải khống chế c ờng độ tr ờng của điện áp làm việc sao cho không phát sinh vầng quang ở mép điện cực phụ, trong các thiết bị chống sét, cầ u chì, thịết bị đóng cắt điện áp làm việc lớn nhất có ảnh huởng trự c tiếp điều kiện dập tắt hồ quang; trong tính toán chống sét, xác suất chuyển từ tia lửa điện xung kích sang hồ quang ngắn mạch cũng liên quan đến gradient của điện áp làm việc dọc theo đ ờng phóng điện v v

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 đ ờng dây hoặc khi sét đánh gần và gây cảm ứng trên đ ờng đây Tr ờng hợp đầu nguy hiểm nhất và đ ợc chọn làm điều kiện tinh toán chọn cách điện và xác định trị số điện áp thí nghiệm xung kich

Trị số của quá điện áp khí quyển phụ thuộc vào đ ờng dây có hoặc không có bảo vệ bằng dây chống sét

 Xác suất xuất hiện dòng điện sét có các trị-số trên rất bé điều đó chứng tỏ đ ờng dây có điện áp

định mức càng cao thì yêu cầu đối với bảo vệ chống quá điện áp khí quyển càng đ ợc giảm nhẹ,

 Ví dụ khi đi trong vùng đất có rÊ10 4 Wcm, mức chịu sét của đ ờng dây có thể đạt tới

120 kA đối với đ ờng dây 110 kV;

150 kA đối với đừờng dây 154 kV

200 kA đối với đ ờng dây 220 kV

 Khi cách đíện của đ ờng dây có dây chống sét đ ợc lựa chọn theo điều kiện quá điện áp nội bộ và nối

đất cột điện đ ợc thực hiện đúng theo các yêu cầu kỹ thuật t trong các quy trình, quy phạm thì có thể đạt mức chịu sét rất cao

 Dòng điện sét tới hạn để có thể gây nên phóng điện ng ợc đ ợc gọi là mức chịu sét của đ ờng dây, nó phụ thuộc vào khả năng cách điện và trị số điện trở nối của cột điện

 Khi qúa điện áp v ợt qúa trị số điện áp phóng điện xung kích của cách điện đ ờng dây sẽ gây nên phóng điện ngựơc từ các bộ phận nối đất của cột điện (dây chống sét - xà) sang dây dẫn và có khả năng đ a đến ngắn mạch làm nhảy máy cắt điện

 Đối với đ ờng dây có treo dây sét quá điện áp khí quyển tác dụng lên cách điện đ ờng dây gồm các phần điện áp giáng trên bộ phải nối đất cột điện và trên điện cảm của thân cột

Với dòng điện sét không lớn đã có thể gây phóng trên cách điện, nh vậy mức chịu sét của đ ờng dây khi không có dây chống sét rất thấp

Tăng c ờng cách điện để đạt mức chịu sét cao sẽ rất tốn kém

Trong tính toán trị số dòng điện sét th ờng lấy khoảng 100-150 kA, do đó để không xảy ra phóng điện đ ờng dây phải đạt đ ợc mức cách điện xung kich tới 10000-150000 kV

Điều đó không thể thực hiện đ ợc và nh vậy không thể tránh đ ợc các phóng điện xảy ra trên cách

điện mà chỉ có thể giải quyết bằng cách hạn chế hậu quả của các lần phóng điện nh giảm xác suất chuyển từ hình thức phóng điện tia lửa hình thức phóng điện hồ quang ổn định hoặc nếu có hồ

quang thì phải dập tắt nhanh chóng để không làm nhảy máy cắt điện

do gỗ cũng thể hiện nh một loại vật liệu cách điện khi có quá điện áp xung kịch (c ờng độ cách

điện khoảng 100 kVmax/m) nên mức chịu sét của đ ờng dây đ ợc nâng cao lên rất nhiều so với đ ờng dây cột sắt (bê tòng) dùng cấp điện áp

Nh ng đặc điểm nổi bật của gỗ là ở chỗ làm tăng chiều dài của khe phóng điện giữa các pha cũng

nh giữa pha với đất nên građient điện áp làm việc phân bố dọc theo khe phóng điện bé, làm giảm xác suất hình thành hồ quang ngắn mạch ổn định, do đó phần lớn các tia lửa của phóng điện sét đ

ợc dập tắt ngay và đ ờng dây vẫn tiếp tục vận hành bình th ờng

Đối với điện áp xoay chiều, gỗ không phải là vật liệu cách điện tốt, có điện dẫn khá lớn Dòng

điện rò có thể làm cho gỗ bị cháy nên ở các đ ờng dây này vẫn cần cách điện răn nh sứ hoặc thủy tinh, tuy số l ợng cách điện có ít hơn so vớl đ ờng dây cột sắ t (th ờng ít hơn một đìa) Khi đ ờng dây

đi trong vùng bụi bẩn, việc dùng gỗ bị hạn chế, đặc biệt không nên dùng xà gỗ vì xà th ờng bị cháy do rò điện giữa các pha

Đốiưvớiưđườngưdâyưcộtưsắt

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

11/08/15 Page 16

Quá điện áp khí quyển cũng không phải là điều kiện quyết định trong việc lựa chọn cách điện đ ờng dây

Đối với các đ ờng dây điện áp cao, nó đ ợc giải quyết kết hợp theo điều kiện của quá điện áp nội bộ, còn ở các đ ờng dáy điện áp thấp hơn thì chỉ có thể phối hợp với các biện pháp hạn chế tác hại do nó gây nên

 nếu dòng điện sét không lớn lắm thì chỉ có thể gây nên ngắn mạch (ổn định) một pha

Hồ quang sẽ đ ợc 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

các ngắn mạch một pha do sét gây nên đều dẫn đến nhảy máy cắt điện

Trong tr ờng hợp này để đảm bảo vìệc cung cấp điện liên tục phải dùng thiết bị tự động đóng lại

Việc dùng thiết bị tự động đóng lại là hợp vì sự cố do sét gây nên là sự cố tạm thời, không yêu cầu sửa chữa hoặc thay thế các bộ phận của đ ờng dây

®iÖn cña tr¹m cµng ® îc gi¶m thÊp

Sau khi hÕt qu¸ ®iÖn ¸p, trong chèng sÐt van sÏ cßn dßng ®iÖn tÇn sè c«ng nghiÖp cña

®iÖn ¸p lµm viÖc nh ng hå quang cña nã th êng ® îc ®Ëp t¾t ngay khi õong ®iÖn nµy qua trÞ