CÁC điện của máy BIẾN áp

Ngoài thành phần cách điện chủ yếu tức là cách điện giữa cuộn dây các pha, giữa cuộn dây có điện áp khác nhau, giữa cuộn dây đối với đất gông từ, vỏ thùng còn phải chú ý đến thành phần

C¸ch ®iÖn cña m¸y biÕn ¸p

Cách điện của máy biến áp nhất là khi máy biến áp có điện áp định mức cao là một kết cấu cách điện phức tạp, gồm nhiều kết cấu cách điện khác nhau làm việc trong điều kiện không giống nhau và có các đặc tính khác nhau.

Khoảng cách không khí giữa các cách điện xuyên và theo bề mặt của chúng là cách điện bên ngoài, còn lại tất cả các điện nằm bên trong thùng kín là cách điện bên trong Cách điện bên trong lại được chia thành cách điện chính và cách điện dọc

Ngoài thành phần cách điện chủ yếu tức là cách điện giữa cuộn dây các pha, giữa cuộn dây

có điện áp khác 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

Yêu cầu về độ bền cách điện của các phần tử cách điện riêng rẽ xác định bởi đặc điểm của quá trình quá độ trong cuộn dây khi có sóng quá điện áp

Nếu trung tính của máy biến áp nối đất thì điểm có điện áp lớn nhất trên cách điện chủ yếu là vào khoảng 1/3 chiều dài từ đầu cuộn dây và có thể lớn hơn 15-20% điện áp tác dụng

Trường hợp trung tính cách điện điện áp xung kích lớn nhất xuất hiện ở phía cuối cuộn dây có thể lớn hơn điện áp tác dung 50-80%

Phân loại và đặc điểm cách điện của máy biến áp

Điện áp lớn nhất trên cách điện dọc xuất hiện khi có sóng cắt truyền vào, sóng này xuất hiện do phóng điện trên cách điện nào đó nằm gần phía trước máy biến áp

Nếu sóng quá điện áp có độ dốc lớn thì trên cách điện dọc xuất hiện điện áp lớn hơn điện áp ở chế độ bình thường hơn 10 lần

Do điện cảm của các dây dẫn điện áp trên máy biến áp khi có sóng cắt sẽ có tính chất giao

động, điện áp lớn nhất đạt 1,6 lần biên độ sóng cắt

Tác dụng của sóng cắt bày tương đương với tác dụng của sóng đầy đủ có biên độ 1,6Ucp

Do những đặc điểm này của máy biến áp với xung quá điện áp, nên kích thước và kết cấu của cách điện dọc trong máy biến áp xác định bởi quá điện áp khí quyển

Kết cấu cách điện của máy biến áp lực còn phụ thuộc vào cuộn dây và mạch từ của máy biến áp do khi làm việc trên các bộ phận này sẽ sinh ra một lượng nhiệt khá lớn

Vì vậy cách điện còn phải đảm bảo cho máy biến áp tản nhiệt tốt

Để hạn chế điện áp trên cách điện dọc khi có tác động của xung điện áp, các màn che kiểu tụ

điện được sử dụng

kích thước của cách điện chủ yếu trước đây cũng được xác định bởi quá điện áp khí quyển

Tuy nhiên hiện nay tình hình có thay đổi do việc đưa vào vận hành các hệ thống siêu cao áp (điện áp 330 kV trở lên), mà đối với các cấp điện áp này quá điện áp nội bộ lại trở thành quan trọng hơn

Nếu như loại quá điện áp nội bộ được giới hạn có hiệu quả tốt thì độ bền cách điện dài hạn sẽ

là yếu tố chủ yếu để lựa chọn cách điện chủ yếu của máy biến áp

Môi trường cách điện trong máy biến áp là dầu biến áp phối hợp với điện môi rắn (các tông 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 các vật liệu cách điện tương đối mỏng (lớp sơn hoặc giấy bọc điện cực có

chiều dày không quá 1-2 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 còng nghiệp của khe hở dầu có thể tăng 50% và cao hơn

Lớp cách là lớp cách điện khá dày (hàng chục mm) quấn quanh 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 dày ở nơi có khe dầu lớn

Màn chắn : Trong máy biến áp màn chắn thường chế tạo bằng các tông cách điện

bakêlit Khi đìa trong trường không đồng nhất (khe hở dầu) tác dụng của màn chắn tương tự như trong 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 hóa ở khu vực có điện trường mạnh sẽ xuấl hiện rất sớm (trước khi có phóng điện)

Tình trạng này kéo dài sẽ không có lợi vl quả tình ion hoá sẽ phân hóa dầu và phá

hủy màn chắn Do đó biện pháp này chỉ dùng trong các trường hợp cần tăng cường

điện áp phóng điện khi điện áp tác dụng trong thời gian ngắn như các loại qúa diện áp nội bộ

Kết cấu cách điện của máy biến áp

• Trong trường gần đồng nhất màn chắn có tác dụng ngăn cản sự hình thành các cầu dẫn

điện trong dầu

• các nét chinh về kết cấu của cách điện chủ yếu của các máy biến áp từ 35 kV 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 cần có kích thước đủ lớn để ngăn cản phóng điện tới lõi thép và gông từ

ống chắn cách

điện;

A và B là khoảng cách cách điện chính

Tấm cách điện phẳng Tấm cách điện góc 

Cuộn dây cao áp Gông từ

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

ớ các máy biến áp 110 kV trở lên do cường độ điện trường lớn nên kết cấu cách điện càng phức tạp hơn

Trên tất cả các đường có ống có khả năng phóng điện đều phải đặt màn chắn (ống cách điện

tấm chắn cách điện phẳng hoặc vuông góc) với số lượng từ hai trở lên

Kết cầu cách điện của máy biến áp 110 kV

cuộn dây cao áp

Cuộn dây hạ áp

Khi đầu cao áp lấy từ giữa cuộn dây trong máy biến

áp có điểm trung tính nối đất thì kết cấu cách điện đư

ợc giảm nhẹ đi nhiều

Đầu cao áp ở giữa cuộn dây được cách xa lôi thép

và gông từ nên dễ thực hiện cách điện, đồng thời đầu

và cuối cuộn dây là nơi gần lõi thép, gông từ thì được nối với nhau làm điểm trung tính có điện áp thấm và yêu yêu cầu cách điện không cao

Hình vẽ sau cho cách bố trí cách điện bên trong của máy biến áp ba dây quấn 220/110/35 kV trong đó

cuộn dây 220 kV có đấu ra ở giữa

Cách điện ở các điểm trung tlnh của cuộn dây 220 và

110 kV được giảm đi một cấp nghĩa là của cuộn 220

kV được chọn theo mức cách điện của cấp điện áp

110 kV và của cuộn 110 kV được chọn theo 35 kV

Kết cấu cách điện bên trong của máy biến

áp ba dây quấn 220/110/35 kV có đầu ra ở giữa cuộn dây

CA- cuộn dây cao áp ; TA- Cuộn dây trung áp ;

HA- Cuộn dây hạ áp

Trong hệ thống có điểm trung tinh trực tiếp nối đất vẫn có một số máy biến áp mà điểm

trung tinh đặt cách điện đối với đất, kết cấu cách điện của chúng không có gi khác so với loại máy biến áp có điểm trung tinh được nói 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 kề của điềm 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 các khe hở dầu cô màn chắn

Chiều dài của cuộn dây máy biên áp có thể tới vài km cho nên khi đóng máy biến áp vào nguồn hoặc khi có qúa điện áp thì trong cuộn dây sẽ có quá trình giao động tương tự như quá trình sóng trên đường dây

Sơ đồ thay thế của cuộn dây máy biến áp có phức tạp hơn, ngoài thành phần điện cảm của dây dẫn và điện dung của nó đối với đất còn thêm hai thành phần khác là 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 còn lại của cuộn dây

Quá trình quá độ và phân bố điện áp trong cuộn dây máy biến áp

Sơ đồ thay thế cuộn dây máy biến áp

Thường các số liệu L, C, K là trị số trung bình của đơn vị dài và sơ đồ của cuộn dây được biểu thị dưới dạng sơ đồ có tham số phân bố Tuy nhiên sự thay thế này chưa chính xác vì số phần tử của cuộn dây của máy biến áp có hạn mà không phải là vô cùng Trị số hỗ cảm M(x) rất khó xác định và và gây nhiều khó khăn trong quá trình tính toán nên không xét đến.

Chúng ta giả thiết rằng khi có qúa điện áp, dòng điện chỉ đi qua điện kháng, dung dẫn bằng cách sử dụng điện dung K của một phần nào đó của cuộn dây so với các phần bên cạnh và

điện dung C của cuộn dây so với đất Để đơn giản hoá chúng ta không xét điện dung giữa các cuộn dây khác nhau

K K

K K

Mặt cắt và sơ đồ tương đương cuộn dây máy biến áp

1- dây dẫn;

2- phần nối đất;

3-6 : màn chắn tĩnh điện đặt gần những vòng dây đầu tiên

K là điện dung giữa các vòng dây của cuộn dây, C là điện dung của các phần tử cuộn dây với các phần nối đất Sơ đồ tương đương trên còn bao gồm cả các điện cảm L' của các phần tử của cuộn dây và các điện dung C'e, C''e, C'''e giữa các màn chắn với cuộn dây.

Do các điện dung K mắc nối tiếp, điện dung dọc theo cuộn dây (điện dung ngang)

n

K K

K en = =

1

n là số phần tử (các cuộn dây) tạo thành cuộn dây

Các điện dung đối với đất mắc song song, điện dung của các cuộn dây đối với đất (điện dung dọc)

nC C

Ct = ∑ =

Ta có thể thay thế các điện Ken và Ct bằng một điện dung đầu vào duy nhất 

en t

Khi phân tích hiện tượng xảy ra trong máy biến áp lúc quá điện áp, chúng ta đi từ giả thiết là sóng tới máy biến áp có độ dài vô cùng và dạng vuông góc lan truyền dọc theo đương truyền sóng với vần tốc

đối với đường dây trên không nó có trị số nằm trong khoảng từ 350 đến 450 Ω ;

 đối với đường cáp do điện dung tăng lên đáng kể, Zc vào khoảng 50 Ω

 Tổng trở của máy biến áp lớn hơn rất nhiều, thay đổi tuỳ thuộc vào bản chất

và tần số dao động

khi có sóng điện áp đi qua một mạch điện có tổng trở Zc bé hơn (trường hợp đường dây)

sang một mạch có tổng trở lớn hơn, điện áp trên máy biến áp tăng lên và tối đa bằng hai

lần điện áp sóng tới Khoảng thời gian để điện áp tên máy biến áp tăng từ Uo đến giá trị

2Uo rất ngắn chỉ vào khoảng 0,1às Trong khoảng thời gian này hầu như tức thời, mạch

hoàn toàn có thể rất khác so với phân bố điện áp ở chế độ làm việc bình thường.

vì quá trình quá độ cuộn dây máy biến áp là tổ hợp phức hợp điện dung và điện kháng,

bước chuyển từ trạng thái ban đầu đến xác lập xảy ra theo quá trình giao động tắt dần do

hiệu ứng điện trở của cuộn dây và dẫn điện của cách điệ

Chúng ta phân tích sơ đồ tương đương và giả thiết rằng đầu cuối X của cuộn dây được nối đất Cần xác định phân bố điện áp khởi đầu trên cuộn dây khi mà điện áp tác dụng lên các vòng dây

đầu tiên đạt giá trị cực đại Um Do tần số khá cao, nên ta có thể coi rằng dòng điện không đi qua các vòng dây này vì trở kháng của nó ωaL' rất lớn (ωa=2πfa và fa= 1/Ta) và chỉ đi qua các điện dung ngang 1/ωK và các điện dung dọc 1/ωC Khi tính phân bố điện áp khởi đầu, ta coi rằng

điện kháng ωaL' là vô cùng lớn, do vậy phân bố điện áp chỉ phụ thuộc vào các điện dung này như trên hình b (phần sơ đồ vẽ bằng nét đứt có thể bỏ qua)

Nếu không có điện dung đối với đất (C=0), tất cả các điện dung K sẽ ghép nối tiếp, qua mạch chỉ có một dòng điện đi qua Nếu các điện dung K là như nhau ta có một phân bố áp đều dọc theo cuộn dây Trên hình vẽ phân bố áp như thế này được biểu diễn bởi một đường thẳng xiên góc nối điểm M và N tương ứng với đầu vào của cuộn dây có điện áp bằng U và cuối cuộn dây

Ngược lại nếu ta coi các điện dung ngang bằng không (K=0), mạch điện hướng về phía đất chỉ qua các điện dung C đầu tiên kể từ đầu cuọn dây Điều đó có nghĩa là tất cả điện áp tập trung tại những vòng sây đầu tiên Phân bố áp như thế này được thể hiện băngf đường thẳng

đứng nối điểm M với gốc toạ độ như trên hình

Do đó phân bố áp dọc theo cuộn dây nằm giữa các trường hợp này Chúng ta xem xét một

số trường hợp đặc biệt Giả thiết cuộn dât cao áp có 5 phần tử (n=5) và điện dung C=K

Gọi U1, U2, U3, U4, U5 là điện áp trên các cực của tụ điện

C

q C

q

Do các điện dung C và K mắc nối tiếp nên qI=q Trong trường hợp này điện áp

q U

U

I 1

2=2q

Phân tích toán học cho thấy điện áp phân bố dọc theo cuộn dây theo luật hyperbolique và điện áp

ux so với đất tại điểm nào đó cách cuối cuộn dây khoảng cách là x có thể hoàn toàn xác định

Bằng việc ấn định chiều dài cuộn dây bằng đơn vị, ta có thể tính một vi phân khoảng cách cuộn dây dx, điện dung dọc Cdx và tham số ngang Kdx

Điện áp ux ở khoảng cách x từ đầu cuối X cuộn dây nối đất được xác đinh khi có điện áp không

Um ở đầu vào cuộn dây bằng cách giải phương trình vi phân đôi với điện tích Kdx

dx K

du Q

dQ u

u d

Nghiệm của phương trình này

x x

=

=

=+

00

2 1

2 1

x

1x

D D

u

U e

D e

D u

x

m x

Như chúng ta thấy trên hình b phân bố điện áp khởi đầu với tỷ số biến đổi trong thức tế α= 10

x U

sh

x sh U

u x = m ≈ m = m

α

αα

α

Trong các cuộn dây thực (α>3), điện áp tác dụng lên phần tử đầu tiên

(U cth ) x U x

x dx

.

1

α α

α

Điện áp này bằng α lần so với trường hợp phân bố đều Hiện tượng xâm nhập sóng điện áp vào cuộn dây máy biến áp có thể phân tích một cách khá thuận tiện với giả thiết là sóng có dạng vuông góc Trong trường hợp này, điện áp Um trong khoảng thời gian đầu sóng tác dụng lên các vòng dây đầu tiên giữ không đổi và đến cuối một khoảng thời gian nào đó tất cả các

điểm trên cuộn dây một thế cố định Phân bố áp như thế này gọi là phân bố cuối cúng

Trong một cuộn dây mà một đầu nối đất, phân bố điện áp cuối cùng là tuyến tính ux=Umx.Hiện tượng sóng quá điện áp xâm nhập vào cuộn dây thể hiện bước chuyển từ phân bố điện

áp ban đầu với thời gian đầu sóng τf ≈ 0 sang phân bố điện áp cuối cùng với τ=∞

Trong trường hợp điểm trung tính cách điện thì

α

α

ch l

x ch U

Phân bố điện áp dọc theo cuộn dây với các giá trị α và chế độ điểm trung tính khác nhau được thể hiện trên hình Trong các máy biến áp hiện nay, α bằng từ 5 đến 15, điều đó cho thấy phân

bố điện áp hầu như giống nau trong hai trường hợp

Để tính độ bền điện của cuộn dây, chúng ta cần biết gradient điện áp giữa hai phần tử liền kề (vòng dây, bobine) Trị số gradient này xác định được xác định bở đạo hàm bậc

u

l x

Giao động riêng của cuộn dây

Vì sơ đồ tương đương của cuộn dây gồm các điện dung cvà các điện cảm là một mạch dao

động, nên bước chuyển từ phân bố ban đầu sang phân bố cuối cùng tại từng điểm của cuộn dây là hiện tượng dao động

Dạng tổng quát của điện áp tại điểm x của cuộn dây:

( )t x

U x

U t

là các giao động riêng của cuộn dây

b) a)

M

X A

X A

Quá trình quá độ trong cuộn dây máy biến

áp a) và c)- trung tính nối đất; b) và d) – trung tính cách điện

b) a)

X A

u/2U m

0

X A

0,4 0,2 0,6

0,8

0 0,4 0,2 0,6

0,8

1

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

u/2U m

1

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

Điện áp lớn nhất

Cuối cùng t= ∞

Ban đầu t=0 t=T/6

t=T/3 t=T/2 t=2T/3

Điện áp lớn nhất

Cuối cùng t= ∞

Ban đầu t=0 t=T/6

t=T/3

t=T/2 t=2T/3

Phân bố điện áp dọc theo cuộn dây tại thời

điểm khác nhau a) – trung tính nối đất;

b) – trung tính cách điện

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

Trên đã xét quá trình qúa độ trong một pha của máy biến áp khi không xét đến ảnh hư

ởng 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 không ảnh 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 trên 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 sau

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

Ví pha thứ ba được nối với dây dẫn không có sóng điện áp nên điện áp ở đầu cuộn dây 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 đất với cuộn dây được kéo dài và không đồng nhất Sự phân bố

điện áp ban đầu và lúc ổn định cho trên hình vẽ

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

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 dung lên cả ca pha và được chọn làm điều kiện tính toán thiết kế máy biên áp