NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẾN HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN NGOÀI TRỜI

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến hiện tượng phóng điện của vật liệu cách điện ngoài trời đối với việc nâng cao ổn định vận hành an toàn, tin cây và chất lượng điện áp, giảm sự cố của HTĐ Việt nam trong tương lai là nhiệm vụ cần thiết. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu Ảnh hưởng của môi trường đến hiện tượng phóng điện của vật liệu cách điện ngoài trời ” được đề xuất với mục đích đánh giá tác động ảnh hưởng của môi trường đến hiện tượng phóng điện trên bề mặt vật liệu cách điện ngoài trời. Trong thực tế vận hành cách điện của đường dây được sử dụng rất nhiều loại như: sứ cách điện bằng gốm hoặc thủy tinh, silicon, polimer, composite…và môi trường có thể là sương muối, bụi bẩn ...

CÁCH ĐIỆN NGOÀI TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS Đặng Việt Hùng

HÀ NỘI - 2014

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Điện lực dưới sự hướng dẫn của TS Đặng Việt Hùng khoa Hệ Thống Điện trường Đại Học Điện Lực

Để hoàn thành luận văn này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành

về sự hướng dẫn ,chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS.Đặng Việt Hùng người đã quan tâm, động viên và tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Khoa Sau Đại học, các thầy, cô giáo của Trường Đại học Điện lực đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Xin trân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 12 tháng 08 năm 2014

Học Viên

Đàm Quang Huệ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Đặng Việt Hùng Khoa Hệ Thống Điện trường Đại Học Điện Lực

Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được chỉ

rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Đàm Quang Huệ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Xuất xứ đề tài 2

2 Mục đích 2

3 Phương pháp nghiên cứu. 3

CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG VÀ SỰ PHÓNG ĐIỆN TRÊN BỀ MẶT CÁCH ĐIỆN 4

1 Mở đầu 4

2 Giới thiệu chung về điện môi và sự phóng điện trong điện môi 5

2.1 Điện dẫn của điện môi 5

2.1.1 Điện dẫn của điện môi khí 5

2.1.2 Điện dẫn của điện môi rắn 6

2.1.3 Điện dẫn mặt của điện môi rắn 7

2.2 Sự phóng điện trong điện môi 7

2.2.1 Khái niệm về sự phóng điện của điện môi 7

2.2.2 Sự phóng điện trong điện môi khí 8

2.2.2.1 Quá trình hình thành thác điện tử và sự phóng điện trong điện môi khí 9

2.2.2.2 Đặc tính von-Ampe (V-A) và các dạng phóng điện trong chất khí 11

2.2.3 Sự phóng điện của điện môi rắn 13

2.2.3.1 Phóng điện đánh thủng 14

2.2.3.2 Phóng điện bề mặt điện môi rắn 16

2.2.3.3 Phóng điện trên bề mặt tiếp giáp của điện môi rắn 19

3 Giới thiệu chung về cách điện đường dây 21

3.1 Các loại cách điện của đường dây tải điện trên không 22

3.1.1 Vật liệu chế tạo cách điện 22

3.1.2 Cách điện bằng sứ 23

3.1.3 Cách điện bằng thuỷ tinh 25

3.1.4 Cách điện bằng composite 27

3.2 Kết cấu các loại cách điện của đường dây tải điện trên không 30

3.2.1 Cách điện đứng 30

3.2.2 Cách điện treo 32

3.2.2.1 Cách điện loại đĩa 33

3.2.2.2 Cách điện loại thanh 35

3.2.3 Cách điện dùng cho vùng ô nhiễm 36

4 Kết luận: 37

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN CÁCH ĐIỆN ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG CÓ XÉT ĐẾN ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG 38

1 Ảnh hưởng của môi trường lên cách điện đường dây tải điện trên không 38

1.1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu cách điện của đường dây 38

1.1.1 Tính hút ẩm của điện môi 38

1.1.2 Độ ẩm của không khí 38

1.1.3 Sự hấp thụ nước trên bề mặt điện môi 39

1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng ô nhiễm môi trường đối với cách điện đường dây trên không tại Việt Nam 39

2 Cơ sở lựa chọn cách điện đường dây tải điện trên không trong vùng ô nhiễm 40 2.1 Cơ chế phóng điện trên cách điện 40

2.1.1 Trường hợp một cách điện 40

2.1.2 Trường hợp nhiều cách điện 41

2.2 Cơ chế phóng điện trên cách điện bị ô nhiễm 44

3 Phương pháp lựa chọn cách điện đường dây trên không trong vùng khí hậu bị ô nhiễm 46

3.1 Cơ sở tổng quát 46

3.2 Đặc tính phóng điện của cách điện 46

3.3 Đặc tính lớp nhiễm bẩn của cách điện 48

3.4 Đặc tính nguồn nhiễm bẩn của cách điện 49

3.5 Tính toán lựa chọn cách điện đường dây trên không 51

4 Kết Luận. 53

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẾN CÁCH ĐIỆN ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG DƯỚI TÁC DỤNG QUÁ ĐIỆN ÁP THAO TÁC 55

1 Mở đầu 55

2 Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến cách điện đường dây trên không 55

2.1 Tham số thay thế lớp bụi 57

2.1.1 Điện trở Rb 57

2.1.2 Điện dung Cb 57

2.2 Tham số thay thế tia lửa điện 58

2.2.1 Điện dung 58

2.2.2 Điện trở 58

2.2.3 Bán kính 58

2.2.4 Vận tốc 59

3 Kết quả tính toán 60

3.1 Trường hợp lớp bụi có điện trở nhỏ gần điện cực dương và lớp bụi điện trở lớn gần điện cực âm 61

3.2 Trường hợp lớp bụi có điện trở lớn gần điện cực dương và lớp bụi điện trở nhỏ gần điện cực âm 64

4 Ứng dụng phần mềm Flux mô phỏng phân bố cường độ điện trường trên bề mặt cách điện 67

5 Kết luận 69

KẾT LUẬN CHUNG 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH

BẢNG BIỂU

HÌNH

Hình II.5 Sơ đồ thay thế chuỗi cách điện 42

Hình III.1

Sự hình thành phân bố lớp bụi và phóng điện của cách điện đường dây trên không dưới ảnh hưởng của môi trường

55

MỞ ĐẦU

Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế giới do nó có ưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng năng lượng khác Hơn nữa điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản xuất, vận chuyển và sử dụng Điện năng cũng là dạng năng lượng quan trọng nhất trong các lĩnh vực hoạt động kinh tế và đời sống xã hội con người Sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng là quá trình đồng bộ, có tổ chức

và trải rộng trên phạm vi toàn lãnh thổ

Hệ thống điện (HTĐ) của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp ứng

sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội Cùng với xu thế toàn cầu hóa nền kinh tế, HTĐ cũng đã, đang và hình thành các mối liên kết giữa các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành nên HTĐ hợp nhất có quy mô rất lớn về cả công suất và lãnh thổ

Việt nam đã thực hiện hợp nhất HTĐ toàn quốc bằng đường dây siêu cao áp (SCA) 500kV Bắc- Nam mạch 1 bắt đầu vận hành vào năm 1994, và gần đây là đưa vào vận hành các đường dây 500kV Bắc-Nam mạch 2, đường dây 500kV Sơn La-Hòa Bình- Nho Quan, đường dây 500kV Sơn La-Hiệp Hòa, đường dây 500kV Thường Tín-Quảng Ninh…ngoài ra thì nước ta cũng

đã xây dựng các đường dây tải điện 220kV, 110kV mua điện của các nước trong khu vực ASEAN, việc liên kết các HTĐ trong khu vực này giúp cho HTĐ Việt nam cũng như các quốc gia thành viên có khả năng nâng cao độ tin cậy, giảm chi phí vận hành, giảm giá thành tải điện

Để truyền tải điện năng từ nguồn đến nơi tiêu thụ người ta phải sử dụng các đường dây truyền tải với nhiều cấp điện áp, việc truyền tải điện năng này đòi hỏi phải đảm bảo an toàn kinh tế, tin cậy, đường dây truyền tải điện năng gồm các bộ phận như: móng cột, cột, xà, sứ cách điện dây dẫn dây chống sét

và phụ kiện của đường dây, thực tế các đường dây truyền tải điện của nước ta

phải đi qua rất nhiều địa hình như là đi qua biển, qua rừng qua vùng đất đỏ badan, vùng khai thác than … Trong quá trình vận hành các đường dây này thường phải chịu sự ảnh hưởng của môi trường như: sương muối, bụi bẩn…

và đã có rất nhiều sự cố xảy ra đối với các đường dây truyền tải do ảnh hưởng của môi trường gây nên sự cố mất điện trên diện rộng làm ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động sản xuất và các lĩnh vực khác

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến hiện tượng phóng điện của vật liệu cách điện ngoài trời đối với việc nâng cao ổn định vận hành an toàn, tin cây và chất lượng điện áp, giảm sự cố của HTĐ Việt nam trong

tương lai là nhiệm vụ cần thiết Do vậy, đề tài “Nghiên cứu Ảnh hưởng của môi trường đến hiện tượng phóng điện của vật liệu cách điện ngoài trời ”

được đề xuất với mục đích đánh giá tác động ảnh hưởng của môi trường đến hiện tượng phóng điện trên bề mặt vật liệu cách điện ngoài trời

Trong thực tế vận hành cách điện của đường dây được sử dụng rất nhiều loại như: sứ cách điện bằng gốm hoặc thủy tinh, silicon, polimer, composite…và môi trường có thể là sương muối, bụi bẩn

1 Xuất xứ đề tài

Hiện nay, để truyền tải và phân phối điện năng người ta sử dụng các đường dây truyền tải Trong quá trình truyền tải, phân phối điện năng cách điện của đường dây và các thiết bị điện khác còn chịu ảnh hưởng của hiện tượng phóng điện ( do bụi bẩn bám vào sứ ) Khi độ dày của bụi bẩn vượt quá giá trị cho phép sẽ gây ra hiện tượng phóng điện làm vỡ sứ trên đường dây

2 Mục đích

Xây dựng được mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của bụi đến hiện tượng phóng điện trên bề mặt sứ cách điện khi chịu ảnh hưởng của môi trường mà đường dây đi qua

Nghiên cứu, so sánh ảnh hưởng của bụi đến quá trình lan truyền và phóng điện chọc thủng trên bề mặt của sứ cách điện như: độ dày, vị trí, điện dẫn suất

3 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng các mô hình đã được nghiên cứu áp dụng trong tính toán và

mô hình hóa mô phỏng hiện tượng phóng điện trên bề mặt của sứ cách điện khi chịu ảnh hưởng của môi trường

CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN ĐƯỜNG DÂY

TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG VÀ SỰ PHÓNG ĐIỆN

TRÊN BỀ MẶT CÁCH ĐIỆN

1 Mở đầu

Trong quá trình vận hành hệ thống điện thì cách điện của đường dây cao áp và siêu cao áp được chọn theo quá điện áp thao tác và trong một số trường hợp khi đường dây đi trong vùng nhiều sét, có điện trở nối đất lớn, còn được chọn theo quá điện áp sét.Tuy nhiên trong vận hành cho thấy đã xảy ra các phóng điện trên bề mặt chuỗi cách điện ngay ở cả điện áp làm việc bình thường khi trong lưới không có thao tác đóng cắt mạch điện cũng như không

có giông sét trong vùng có đường dây đi qua Các sự cố trên thường xuất hiện khi bề mặt cách điện bị ô nhiễm và trong thời tiết có mưa phùn, sương mù, sương giá, bụi bẩn, ô nhiễm là sự ngưng tụ các hạt trên bề mặt cách điện

Ô nhiễm tự có nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo:

Ô nhiễm tự nhiên là do sự ngưng tụ của muối biển (khi đường dây đi qua vùng duyên hải), cây cỏ, lông và phân chim trên bề mặt cách điện

Ô nhiễm nhân tạo là sự ngưng tụ của bụi do các hoạt động công nghiệp

và nông nghiệp trên bề mặt cách điện

Khi mức cách điện khô ráo thì mức cách điện hầu như không bị giảm sút Ngược lại khi trời mưa, ẩm mức cách điện sẽ giảm tới mức đủ để gây phóng điện ngay cả ở điện áp làm việc bình thường, các phóng điện này có thể lặp lại và kéo dài, sau mỗi lần phóng điện bề mặt cách điện được sấy khô nhưng sau đó lại bị ướt để dẫn đến các phóng điện tiếp theo, trong vận hành

đã ghi nhận được các trường hợp thất bại của tự đóng lại khi bề mặt cách điện

bị ô nhiễm trong thời tiết có mưa phùn, sương muối và bụi bẩn

Do sự đòi hỏi vận hành các đường dây truyền tải trên không phải liên tục đảm bảo độ tin cậy nên nội dung chương 1 tác giả muốn tập chung nghiên cứu về các dạng điện môi, sự phóng điện trong điện môi, tính chất cách điện của điện môi rắn và khí các thành phần chủ yếu ảnh hưởng đến bề mặt và sự phóng điện của cách điện đường dây tải điện trên không

2 Giới thiệu chung về điện môi và sự phóng điện trong điện môi Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự

dẫn điện bằng điện tử không sảy ra Các điện tử hóa trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự

do để tham gia vào dòng điện dẫn Chiều rộng vùng cấm của điện môi ∆W nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài điện tử von ( eV)

2.1 Điện dẫn của điện môi

Điện môi có rất nhiều loại như là: điện môi khí, điện môi lỏng, điện môi rắn Đối với vật liệu cách điện ngoài trời ta chỉ nghiên cứu chủ yếu là điện môi rắn và điện môi khí

2.1.1 Điện dẫn của điện môi khí

Trong điện môi khí luôn xảy ra quá trình ion hóa tự nhiên, khi điều kiện môi trường thay đổi trong các chất khí bao giờ cũng tồn tại một số lượng điện tích tự do nhất định Sở dĩ có hiện tượng này là vì trong điện môi khí tồn Hình I.1:Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật liệu rắn ở nhiệt độ 00K

tại quá trình tái hợp song song với quá trình ion hóa, đó là quá trình kết hợp giữa các điện tích trái dấu tạo thành phân tử trung hòa trạng thái cân bằng của điện môi đạt được khi số điện tích xuất hiện do ion hóa cân bằng với số điện

tích bị tái hợp

Dưới tác dụng của điện trường bé, các điện tích được sinh ra bởi quá trình ion hóa tự nhiên sẽ chuyển động và tạo nên dòng điện dẫn trong điện

môi khí, dòng điện này thường được gọi là điện dẫn không tự duy trì

Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi khí đủ lớn những điện tích

có trong điện môi nhận được năng lượng và tăng tốc độ chuyển động, khi va chạm với phân tử trung hòa sẽ gây nên ion hóa Số lượng điện tích được tạo nên bởi quá trình ion hóa do va chạm sẽ tăng lên theo hàm số mũ làm cho dòng điện dẫn tăng Điện dẫn của chất khí trong trường hợp này gọi là điện dẫn tự duy trì

2.1.2 Điện dẫn của điện môi rắn

Điện môi rắn có rất nhiều loại, chúng đa dạng về cấu trúc, thành phần hóa học, nguồn gốc và mức độ lẫn tạp chất và bụi bẩn …do vậy điện dẫn của điện môi rắn rất phức tạp Điện dẫn trong điện môi rắn được tạo nên là do sự chuyển dịch các ion của bản thân điện môi rắn cũng như các ion tạp chất dưới tác dụng của điện trường Ở một số vật liệu tính dẫn điện của chúng còn có thể do sự chuyển động của các điện tử tự do Để đánh giá chất lượng của điện môi người ta thường xác định điện dẫn xuất khối (γv) hay điện trở xuất khối (pv)

Pv= 1/γυ ( I.1)

Về trị số: điện trở xuất khối là điện trở của khối vật liệu hình lập phương có cạnh là 1cm khi dòng điện đi qua hai mặt đối diện của khối điện môi đó

Đơn vị đo điện trở xuất khối là Ωm

Trên bề mặt điện môi rắn tồn tại các điện tích của bản thân điện môi và

do các bụi bẩn, lớp nước ẩm gây nên sẽ tạo nên dòng điện dẫn mặt (γs) mà nghịch đảo là điện trở xuất mặt (Ps)

Điện trở xuất mặt là điện trở của một phần mặt điện môi có dạng hình vuông với cạnh bất kỳ khi dòng điện đi qua hai cạnh đối diện Đơn vị đo của

Ps là Ωm

2.1.3 Điện dẫn mặt của điện môi rắn

Điện dẫn mặt thường gây nên do bề mặt của vật liệu bị ẩm Điện trở của lớp ẩm hấp thụ phụ thuộc vào bản chất của vật liệu nên điện dẫn mặt thường được xem như một thuộc tính của bản thân điện môi

Sự hấp thụ hơi ẩm trên bề mặt điện môi có quan hệ chặt chẽ với độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh Vì thế trị số độ ẩm tương đối là yếu tố quyết định đối với điện dẫn suất mặt của điện môi Điện trở suất mặt thường thấy giảm rõ rệt khi độ ẩm tương đối cao hơn 60-80%

Điện dẫn suất mặt càng thấp khi cực tính của vật liệu càng yếu, bề mặt điện môi càng sạch và nhẵn

2.2 Sự phóng điện trong điện môi

2.2.1 Khái niệm về sự phóng điện của điện môi

Thực nghiệm cho ta thấy khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá một giới hạn nào đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện chọc thủng điện môi, khi đó điện môi bị mất hoàn toàn chất cách điện Hiện tượng đó chính là sự phóng điện chọc thủng của điện môi hay là sự phá hủy độ bền điện môi

Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi, được gọi là điện áp đánh thủng (Uđt) Trị số tương ứng của cường độ điện trường là cường độ đánh thủng hay cường độ điện trường cách điện của điện môi ( Eđt)

Eđt =

h

(Kv/mm) (I.2)

Trong đó : h là chiều dày của điện môi đo bằng mm

Cường độ điện trường cách điện của điện môi E=Eđt chính là điện áp đánh thủng điện môi trên một mm chiều dày điện môi Khi tính toán để chọn chiều dày điện môi của một thiết bị làm việc ở điện áp định mức nào đó (Uđm), cần phải nhân với hệ số an toàn chính xác hơn là hơn là hệ số làm việc

Các chất khí, lỏng, rắn có cơ cấu và diễn biến quá trình phóng điện khác nhau, do đó khi nghiên cứu sự phóng điện ta xét riêng cho từng trường hợp

2.2.2 Sự phóng điện trong điện môi khí

Các chất khí, chủ yếu là không khí thường được dùng làm chất cách điện của các thiết bị điện làm việc trong không khí và của đường dây tải điện trên không Không khí hoặc phối hợp với các điện môi khác hoặc đơn độc làm nhiệm vụ cách điện giữa các pha hoặc giữa các pha với đất ( vỏ máy )

Do vậy đặc tính cách điện của chất khí có ý nghĩa quan rất trọng trong kỹ thuật điện cao áp Khi chúng mất khả năng cách điện sẽ gây nên hiện tượng ngắn mạch và dẫn đến các sự cố trong các thiết bị điện và hệ thống điện

Trong điện môi rắn và lỏng thường tồn tại các bọt khí, đó là các điểm cách điện suy yếu vì cách điện của các điện môi này bị hư hỏng thường bắt nguồn từ các quá trình phóng điện của bọt khí Vì vậy nghiên cứu quá trình phóng điện trong điện môi khí nhằm mục đích khắc phục và loại trừ sự cố trong các thiết bị và hệ thống điện

2.2.2.1 Quá trình hình thành thác điện tử và sự phóng điện trong điện môi khí

Quá trình ion hóa chất khí sẽ đưa đến sự hình thành thác điện tích trong khu vực giữa hai điện cực, nếu tiếp tục tăng điện áp thác điện tích phát triển mạnh khi mật độ điện tích đủ lớn sẽ gây nên sự phóng điện trong điện môi khí tạo thành dòng plazma nối liền giữa hai điện cực

Chúng ta xét quá trình ion hóa chất khí giữa hai điện cực với nguồn điện

áp một chiều Điện trường bên ngoài E có chiều từ cực dương đến cực âm

Bằng các giả thiết và sau khi giải các phương trình toán học người ta chứng minh được rằng:

Nếu là trường đồng nhất thì α là hằng số, do đó ta có số lượng điện tử sinh ra bởi quá trình ion hóa là:

Như vậy số lượng điện tử tự do sẽ tăng lên theo hàm số mũ, song song với sự phát sinh của điện tử kèm theo là sự phát sinh ra các ion dương với cùng số lượng Chúng tập hợp thành thác điện tích, thường quen gọi là thác điện tử Trên hình vẽ cho ta mô hình thác điện tử khi thác phát triển tới độ dài x

Do điện tử bé và nhẹ nên có tốc độ lớn và dễ khuếch tán dồn về phía đầu thác và rải trên khoảng không gian rộng, các ion dương do có khối lượng nên di chuyển với tốc độ chậm hơn(bằng khoảng 1/100 tốc độ của điện tử) chúng phân bố ở khu vực thân và đuôi thác Sự tồn tại các điện tích của thác điện tử sẽ tạo nên điện trường làm biến dạng điện trường bên ngoài E

Xét về sự biến dạng của trường ta thấy phía đầu thác trường được tăng cường nhiều, nhưng ngay phía sau đầu thác lại giảm đột ngột, cả hai nơi này đều có khả năng bức xạ phô tông

Ở đầu thác thường được tăng cường cao hơn điện trường E bên ngoài

do vậy dễ dàng gây ion hóa phần khí tiếp theo tạo nên các thác điện tử mới hướng về phía điện cực đối diện Mặt khác do trường tăng cao làm cho các phân tử khí ở gần sẽ bị kích thích, khi chúng trở lại trạng thái bình thường sẽ trả lại năng lượng dưới dạng phô tông Còn ở phía sau đầu thác do trường giảm đột ngột nên xảy ra hiện tượng kết hợp và cũng trả lại năng lượng dưới dạng phô tông Các phô tông này có khả năng gây nên ion hóa quang các phân tử khí hoặc giải thoát điện tử từ bề mặt điện cực góp phần tăng thêm số lượng điện tích và để kế tiếp thác điện tử đầu kể trên

Dưới tác dụng của điện trường thác điện tích càng được phát triển đồng thời được kéo dài ra khi tiếp cận với các điện cực, các điện tích của thác

sẽ trung hòa trên điện cực, kết thúc quá trình hình thành và phát triển thác điện tử

Quá trình đó chưa thể gọi là phóng điện vì chưa tạo nên một dòng điện lưu thông liên tục giữa hai điện cực Như vậy để có phóng điện cần thiết phải xuất hiện các điện tử mới để hình thành các thác mới, các điện tử này phải được tạo ngay từ các quá trình xảy ra trong khe hở, mà không phải là do các nhân tố ion hóa bên ngoài và phải xuất hiện trước khi thác thứ nhất kết thúc Các điện tử mới này còn gọi là điện tử thứ cấp, chúng được phát sinh theo các khả năng sau đây:

- Sự bắn phá của ion dương vào cực âm để giải thoát điện tử (ion hóa bề mặt) Ion hóa quang trong nội bộ chất khí (do bức xạ của thác thứ nhất)

- Hiệu ứng quang giải thoát điện tử từ bề mặt cực âm (cũng do bức xạ của thác thứ nhất)

Quá trình hình thành sự phóng điện trong chất khí theo khả năng nào còn tùy thuộc vào áp suất của chất khí và điện áp giữa hai điện cực

Thực tế cho ta thấy khi thác điện tích có mật độ điện tích lớn (khoảng

1012 ion/cm3) và gần tiếp cận đến điện cực dương, toàn bộ điện áp giữa hai điện cực dồn đặt lên một khe hở hẹp tại đó cường độ trường rất lớn làm bứt các ion dương từ cực dương chuyển động theo chiều ngược lại của thác điện

tử Khi chúng hòa nhập làm một sẽ gây nên phóng điện chọc thủng chất khí tạo thành dòng plasma kết thúc bằng quá trình phóng điện

Thường phóng điện trong chất khí xảy ra rất nhanh gần như tức thời, nếu khe hở khí là 1cm thì thời gian phát triển phóng điện chọc thủng khoảng

10-7-10-8 giây, điện áp tác dụng càng cao thì sự phóng điện chọc thủng càng chóng phát triển, thời gian tác dụng của điện áp càng bé thì điện áp chọc thủng càng cao

2.2.2.2 Đặc tính von-Ampe (V-A) và các dạng phóng điện trong chất khí

Khi có điện áp một chiều tác dụng lên hai điện cực, cho trị số điện áp thay đổi từ thấp đến cao và đo trị số dòng điện ứng với các điện áp Vẽ quan

hệ giữa dòng điện và điện áp ta được đặc tính Von - Ampe của chất khí

Quá trình phóng điện trong chất khí là quá trình hình thành dòng plazma trong toàn bộ hay một phần khoảng không gian giữa hai điện cực Tùy

Hình I.2: Đặc tính Von - Ampe của chất khí

thuộc vào công suất nguồn, áp suất khí và dạng của điện trường, quá trình hình thành dòng plazma có khác nhau và đưa đến các dạng phóng điện khác nhau như sau :

- Phóng điện tỏa sáng: Xảy ra khi áp suất thấp, plazma không thể có điện dẫn lớn vì số lượng phân tử khí quá ít Phóng điện tỏa sáng thường chiếm toàn bộ không gian giữa các điện cực và được ứng dụng lên đèn nê ông, đèn quảng cáo, trang trí, ống phát sáng

- Phóng điện tia lửa: Xảy ra khi áp suất lớn, plazma không chiếm hết toàn bộ khoảng không gian mà chỉ là một tia dòng nhỏ nối giữa các điện cực Mật độ điện tích dòng plazma rất lớn nên có thể dẫn được dòng điện lớn nhưng không lớn quá vì bị giới hạn bởi công suất nguồn Trong thực tế phóng điện tia lửa áp dụng làm thiết bị đốt lò gas và dầu, đánh lửa budi xe máy, ô tô, thử nghiệm cường độ trường cách điện của các điện môi…

- Phóng điện hồ quang: tương tự như phóng điện tia lửa nhưng ở đây công suất nguồn lớn và tác dụng trong thời gian dài Phóng điện này xảy ra trong áp suất cao Dòng điện hồ quang lớn, đốt nóng dòng plazma làm cho điện dẫn của nó tăng thêm, do đó dòng hồ quang càng tăng Dòng điện hồ quang sẽ tăng tới mức ổn định khi có sự cân bằng giữa phát nóng và tỏa nhiệt của khe hồ quang

Phóng điện hồ quang là một quá trình đòi hỏi phải có đủ thời gian cần thiết bởi vậy khi thời gian tác dụng của điện áp ngắn dù công suất nguồn lớn cũng chỉ gây nên phóng điện tia lửa mà thôi( ví dụ như phóng điện của sét, phóng điện trên các đường dây tải điện …) Dòng điện phóng điện hồ quang

có nhiệt độ cao, nên trong thực tế áp dụng làm điện cực hồ quang, hồ quang hàn, hàn điểm, đấu dây điện…

- Phóng điện vầng quang: là một dạng phóng điện đặc biệt chỉ tồn tại trong trường không đồng nhất và xuất hiện trong khu vực xung quanh điện

cực, do đó không thể có dòng điện lớn Phóng điện vầng quang chưa làm mất hẳn tính chất cách điện của chất khí nhưng cũng không nên để phát sinh vầng quang vì nó gây nhiều tác hại Có thể nói phóng điện vầng quang chính là sự ion hóa chất khí và quá trình kết hợp giữa các ion trái dấu để trở lại trạng thái bình thường, cả hai quá trình này đều trả lại năng lượng dưới dạng quang năng Khi thời tiết xấu có thể thấy phóng điện vầng quang trên các đường dây tải điện điện áp cao Phóng điện này gây nên một tổn thất năng lượng lớn trên đường dây truyền tải điện Chúng ta phải làm giảm phóng điện này bằng cách: tăng tiết điện dây dẫn, dùng dây dẫn có bề mặt nhẵn bóng, phân dây pha thành các dây nhỏ nối liền với nhau để có đường kính lớn

Trong công nghiệp phóng điện vầng quang được sử dụng để sơn tĩnh điện, lọc bụi tĩnh điện bảo vệ môi trường…

2.2.3 Sự phóng điện của điện môi rắn

Khi nghiên cứu về sự phóng điện trong điện môi rắn ta thấy có hai khả

năng xảy ra đó là:

- Phóng điện đánh thủng hay còn gọi là phóng điện xuyên qua điện môi rắn

- Phóng điện bề mặt điện môi rắn

Hình I.3: Hiện tượng phóng điện của điện môi

2.2.3.1 Phóng điện đánh thủng

Phóng điện đánh thủng còn gọi đánh thủng điện môi hay phóng điện xuyên qua điện môi Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi được gọi là điện áp đánh thủng, trị số tương ứng của cường độ điện trường là cường

độ đánh thủng hay cường độ điện trường cách điện của điện môi

Phóng điện đánh thủng điện môi rắn phức tạp hơn nhiều so với chất khí

và lỏng vì các lí do sau đây:

- Điện môi rắn sau khi bị phóng điện sẽ mất hoàn toàn tính chất cách điện, tính chất này không thể khôi phục được tức là không có tính chất thuận nghịch như chất khí và lỏng

- Điện môi rắn thường có cấu tạo không đồng nhất ở các vị trí khác nhau

- Điện môi rắn khác nhau về loại phân tử, kết cấu phân tử, lượng tạp chất công nghệ gia công chế tạo

Khi xét quan hệ cường độ điện trường với nhiệt độ ta thấy: ở nhiệt độ thấp cường độ điện trường ít phụ thuộc vào nhiệt độ gọi là phóng đện do điện gây nên, ở nhiệt độ cao cường độ điện trường giảm nhiều khi nhiệt độ tăng, gọi là phóng điện do nhiệt gây nên trong điện môi rắn

Phóng điện do điện và phóng điện do nhiệt gây nên có một số điểm khác nhau sau:

Phóng điện do điện gây nên xuất hiện khi cường độ điện trường lớn và xảy ra trong thời gian ngắn 10-7- 10-8 giây, còn phóng điện do nhiệt gây nên xảy ra trong thời gian dài để có thời gian làm tăng nhiệt độ

Cường độ điện trường do điện gây nên không phụ thuộc vào chiều dày điện môi, còn phóng điện do nhiệt lại phụ thuộc vào chiều dày điện môi, Eđt

giảm khi chiều dày tăng vì thường cách điện đi đôi với cách nhiệt

Phóng điện do điện gây nên ít phụ thuộc vào nhiệt độ, song phóng điện

do nhiệt phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, cường độ điện trường đánh thủng giảm khi nhiệt độ cao

Phóng điện do nhiệt gây nên xảy ra ở nơi nào trong điện môi có sự phát nhiệt lớn nhất, sự truyền nhiệt và làm mát kém nhất, còn phóng điện do điện gây nên chỉ xảy ra ở nơi yếu nhất và có cường độ điện trường lớn nhất…

Người ta phân biệt thành 4 dạng đánh thủng điện môi:

- Sự đánh thủng do điện các điện môi rắn đồng nhất vi mô

- Sự đánh thủng do điện các điện môi rắn không đồng nhất

- Sự đánh thủng do điện hóa gây nên

- Sự đánh thủng do nhiệt gây nên

Một trong những dạng đánh thủng kể trên có thể xảy ra đối với cùng một vật liệu tùy theo tính chất của điện trường một chiều, xoay chiều hay xung, tần số cao hay thấp, khuyết tật trong điện môi, đặc biệt là các bọt khí, những điều kiện làm mát, thời gian tác động của điện áp, điều kiện của môi trường…

Hình I.5: Phóng điện phá huỷ cách điện đường dây tải điện trên không

2.2.3.2 Phóng điện bề mặt điện môi rắn

Khi điện môi rắn được đặt trong môi trường khí hay dầu máy biến

áp như:

Sứ cách điện đường dây, sứ dầu ra của máy biến áp, thủy tinh cách điện thì quá trình phóng điện xảy ra men theo mặt ngoài của điện môi với trị số điện áp phóng điện bé hơn nhiều so với trị số điện áp chọc thủng của khe hở khí hay dầu, cũng như bản thân điện môi rắn

Tùy theo quá trình diễn biến phóng điện với các đặc điểm khác nhau của điện trường, có thể phân ra thành ba trường hợp sau :

- Điện môi đặt trong điện trường đồng nhất

- Điện môi đặt trong trường không đồng nhất có thành phần dọc theo bề mặt (thành phần tiếp tuyến )lớn

- Điện môi đặt trong trường không đồng nhất có thành phần pháp tuyến lớn

- Trước hết do tiếp xúc giữa điện môi với các điện cực không tốt nên giữa chúng có lớp không khí mỏng Điện trường trong lớp khí mỏng rất lớn

và sớm có quá trình ion hóa, các điện tử và ion dương sinh ra sẽ phân bố trên

bề mặt ngoài của điện môi tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phóng điện, thực tế trong các kết cấu cách điện thường dùng mọi biện pháp để đảm bảo sự tiếp xúc chặt chẽ giữa điện cực và điện môi(như dùng xi măng, keo kết dính…) nhưng trị số điện áp phóng điện mặt ngoài vẫn bé, đó là nguyên nhân mặt ngoài điện môi bị ẩm Do tính hút ẩm của vật liệu nên mặt ngoài điện môi hình thành một màng ẩm mỏng

- Bản thân màng ẩm có điện dẫn ion và dưới tác dụng của điện trường các ion đó sẽ di chuyển về các điện cực khác dấu Sự di chuyển này rất chậm chạp nên trên bề mặt điện môi gần điện cực sẽ tích tụ một số ion cùng dấu với điện cực đó làm thay đổi sự phân bố điện áp trên bề mặt điện môi, trường trở nên không đồng nhất và do đó điện áp phóng điện giảm thấp

Trị số điện áp phóng điện mặt ngoài phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

- Độ ẩm của không khí: độ ẩm của không khí có ảnh hưởng rất lớn tới trị số điện áp phóng điện, khi độ ẩm tương đối từ 60-70% trở xuống ,trị số điện áp phóng điện bề mặt tương đối ổn định, nhưng khi độ ẩm cao hơn gây nên sự ngưng tụ khí ẩm trên bề mặt điện môi làm cho điện áp phóng điện giảm nhiều

- Do tốc độ di chuyển của các ion trên bề mặt điện môi bé nên tích tụ điện tích cùng dấu ở các điện cực diễn ra tương đối chậm và cần có thời gian khiến cho điện áp phóng điện phụ thuộc vào thời gian tác dụng của điện áp

- Tính hút ẩm của điện môi: khi điện môi cực tính có sự hút ẩm mạnh nên có điện áp phóng điện thấp Parafin có tính hút ẩm bé nên có điện áp phóng điện cao

- Khi điện môi đặt trong điện trường không đồng nhất có thành phần tiếp tuyến lớn, trị số điện áp phóng điện còn giảm thấp hơn so với khi đặt trong trường đồng nhất với nguyên nhân chính là do mặt ngoài bị ẩm và trường không đồng nhất

Trong thực tế trên bề mặt điện môi không chỉ ẩm mà còn có bụi bẩn, tạp chất, nếu lớp bụi này khô ráo thì nó có điện trở cao và không ảnh hưởng đáng kể đến điện áp phóng điện Khi trời ẩm, có sương mù hay mưa nhỏ sẽ hình thành lớp dẫn điện trên bề mặt điện môi Nếu trong bụi có các thành phần muối hòa tan thì điện dẫn của nó tăng cao sẽ tạo nên dòng điện rò lớn đốt nóng bề mặt điện môi Do độ dày lớp bụi khác nhau và có thành phần hóa học cũng khác nhau nên điện trở trên bề mặt điện môi luôn thay đổi ở các vị trí khác nhau mà sự phát nóng cũng mãnh liệt theo đường phóng điện Ở các nơi này do được sấy khô nên điện trở tăng lên, đồng thời cũng sẽ phải chịu phần điện áp đặt lên lớn tạo điều kiện cho trường tăng cục bộ và dẫn đến phóng điện cục bộ làm cho dòng điện rò tăng lên Phần đường còn lại tiếp tục

sấy khô và cùng xuất hiện phóng điện cục bộ, nếu tăng điện áp thì phóng điện cục bộ xuất hiện càng nhiều và có thể xảy ra cùng một lúc tại nhiều chỗ khác nhau trên bề mặt điện môi, khi các vùng có phóng điện này được nối liền với nhau thì sẽ dẫn đến phóng điện hoàn toàn Quá trình phóng điện diễn biến tương đối chậm, không liên tục nên phóng điện phụ thuộc vào thời gian tác dụng của điện áp

Để nâng cao trị số điện áp phóng điện bề mặt người ta thường dùng các biện pháp sau đây:

- Tăng chiều dài phóng điện dọc theo bề mặt, ví dụ trong kết cấu cách điện có bố trí nhiều tầng lá để tăng chiều dài phóng điện và chiều dài rò điện

Đối với các đường dây tải điện trên không đi trong các vùng bụi phải dùng các loại cách điện đặc biệt có chiều dài phóng điện lớn hơn so với loại thông thường hoặc giải quyết bằng cách tăng cường thêm số cách điện trong chuỗi cách điện

- Cải thiện sự phân bố trường: khi điện môi đặt trong trường không đồng nhất có thể dùng cực ngầm để giảm cường độ trường ở cực có điện áp

Khi có đặt cực ngầm, trường sẽ tập trung ở đầu cực ngầm, ở phía mũi trường giảm, do đó làm tăng điện áp phóng điện mặt ngoài Trường ở cực ngầm có tăng nhưng không đáng ngại vì khả năng chọc thủng cách điện từ nó tới đế rất khó xảy ra

- Trong vận hành để giữ cho điện môi không bị bám bụi có thể tiến hành vệ sinh theo định kỳ hoặc phủ lên điện môi lớp men hay vật liệu cách điện khác có tính chất chống bám bụi và hơi ẩm

2.2.3.3 Phóng điện trên bề mặt tiếp giáp của điện môi rắn

Tính chất điện của bề mặt tiếp giáp rất quan trọng Điều không thể tránh khỏi là trên bề mặt tiếp giáp giữa chất khí và chất lỏng, giữa chất khí và chất rắn, giữa chất lỏng và chất rắn, điện trường có một thành phần song song

với bề mặt tiếp giáp Nếu có điện trường này, thì sẽ có dòng điện chảy trên bề mặt tiếp giáp, và nếu thành phần này lớn thì có thể sinh ra sự phóng điện trên

bề mặt tiếp giáp, dẫn đến sự phóng điện bề mặt Thực tế cho thấy rằng dọc theo bề mặt tiếp giáp có một lớp tiếp giáp với bề dày nhất định mà tính chất của nó khác với tính chất của hai điện môi tiếp giáp với nhau qua lớp này

Những bề mặt tiếp giáp quan trọng nhất là: tiếp giáp giữa không khí và cách điện thể rắn, và tiếp giáp giữa dầu và cách điện thể rắn

Bề mặt tiếp giáp giữa không khí và cách điện thể rắn: tính chất của bề mặt do khả năng dẫn điện của màng ẩm ướt bám trên bề mặt, do bề dày của lớp tiếp giáp, bụi và chất bẩn khác quyết định Điều cũng rất quan trọng là những chất bẩn có xâm nhập được vào hay không trên bề mặt cách điện thể rắn Rõ ràng trường hợp này không xâm nhập được có lợi hơn Màng ẩm ướt

có lên kết liền với nhau hay không cũng rất quan trọng, ở đây không thể xác định trường hợp nào thì có lợi hơn

Có thể nói rằng tính chất của bề mặt tiếp giáp không khí cách điện thể rắn xấu hơn tính chất của không khí và của cách điện thể rắn nói riêng

Tính chất dẫn điện của bề mặt tiếp giáp thường phụ thuộc vào tính chất dẫn điện của lớp bẩn đóng trên bề mặt Nếu khả năng dẫn điện của bề mặt tăng, thì điện áp đánh thủng giảm Tính chất rất quan trọng của bề mặt tiếp giáp ở chỗ có dòng điện rò hay không ở điện áp tương đối nhỏ

Tiêu chuẩn định nghĩa dòng điện rò là dòng điện hình thành trên bề mặt của cách điện có chất lượng tốt, ở trạng thái khô, có chất bẩn, ẩm bám trên bề mặt Trong trường hợp như vậy thì khả năng dẫn điện của bề mặt tiếp giáp tăng lên, và bản thân dòng điện phá huỷ bề mặt, và làm tăng khả năng dẫn điện của bề mặt Dòng điện rò thường để lại dấu vết trên bề mặt trông thấy được, dấu vết hình thành một thời gian sau đó Có hai dạng đường chảy của dòng điện rò, một dạng là đường chảy trông như vết gặm nhấm và có hướng

theo điện trường Một dạng khác là những đường nhăn nheo thẳng góc với điện trường Cả hai loại đường chảy này đều cho thấy dấu hiệu bề mặt bị cháy, hoá than

3 Giới thiệu chung về cách điện đường dây

Trên các đường dây tải điện trên không các dây dẫn của đường dây phải cách điện với nhau (giữa các pha nhau ) và cách điện đối với đất (cách điện giữa pha với đất) Để thực hiện sự cách điện đó dây dẫn được đặt hoặc treo trên cột bằng các cách điện sứ, thủy tinh hoặc cách điện composite, silicon, polymer… còn ở trong khoảng vượt dựa vào cách điện của không khí

Khi trên các đường dây xuất hiện quá điện áp khí quyển hoặc quá điên

áp thao tác dẫn đến các phóng điện trên cách điện của đường dây nó là nguyên nhân chủ yếu gây lên sự cố chạm đất hoặc ngắn mạch tại cột điện của đường dây

Tại các chuỗi cách điện trên cột điện của đường dây phóng điện thường xảy ra men theo bề mặt của cách điện hoặc chọc thủng khoảng không khí giữa dây dẫn tới các bộ phận kim loại của cột

Để hạn chế hoặc loại trừ các phóng điện trên đường dây đảm bảo độ tin cây trong vận hành cần phải nâng cao mức cách điện của đường dây như tăng

số cách điện trong chuỗi hoặc tăng khoảng cách không khí, hoặc sử dụng cách điện có chiều dài dòng rò lớn Tuy nhiên song song với việc tăng cường cách điện thì sẽ phải thay đổi kết cấu cột và tăng số cách điện trong chuỗi như vậy giá thành xây dựng đường dây sẽ tăng lên

Hiện nay ngoài biện pháp tăng cường cách điện còn có các biện pháp như, dùng thiết bị chống sét để hạn chế trị số quá điện áp hoặc các thiết bị tự động có khả năng loại trừ sự cố nhanh chóng đảm bảo cung cấp điện liên lục

Trong quá trình tính toán lựa chọn cách điện của đường dây trên không thường xuất phát từ các yêu cầu sau đây :

- Cách điện của đường dây trên không phải đảm bảo chịu được tác dụng của đa số các loại quá điện áp thao tác và tình hình ô nhiễm

- Đối với các đường dây điện áp khác nhau dựa theo kết quả tính toán

và thí nghiệm đã quy định được trị số quá điện áp thao tác tính toán và trên cơ

sở đó tiến hành lựa chọn cách điện của đường dây

- Đối với yêu cầu của quá điện áp khí quyển phải giải quyết sao cho hợp lý về kinh tế và kỹ thuật

Ở các đường dây điện áp 110 kV trở lên yêu cầu này được thỏa mãn dễ dàng vì cách điện đường dây khi chọn theo yêu cầu của quá điện áp thao tác 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 các đường dây 35 kV trở xuống để thỏa 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 của 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 do sét gây nên như cải thiện nối đất cột điện, dùng cuộn dập hồ quang, lắp thêm chống sét van trên đường dây

3.1 Các loại cách điện của đường dây tải điện trên không

Hiện nay cách điện của đường dây tải điện trên không chủ yếu dùng vật liệu cách điện thể rắn người ta thường phân loại cách điện dựa theo chủng loại của vật liệu làm điện môi hoặc kết cấu cách điện

3.1.1 Vật liệu chế tạo cách điện

Cách điện đường đây gồm điện môi, vật liệu kim loại để làm mũ và chân, vật liệu gắn kết giữa điện môi và bộ phận kim loại Điện môi sử dụng để chế tạo cách điện đường dây tải điện trên không phải có độ bền cách điện cao, không hút ẩm, không biến tính dưới tác động của khí hậu và phải có độ bền

cơ giới cao Hiện nay người ta thường sử dụng những loại điện môi sau để

chế tạo cách điện:

-Điện môi bằng sứ: sứ thường được chế tạo từ những loại đất sét đặc biệt là cao lanh Sứ cách điện có độ bền cơ học cao, góc tổn hao điện môi nhỏ, cường độ cách điện trong trường đồng nhất với độ dày của mẫu sứ 1,5 mm có thể đạt tới 30-40 kV/mm

- Điện môi bằng thuỷ tinh: thuỷ tinh là một chất vô cơ không định hình

và là hệ phức tạp của nhiều loại ôxít khác nhau Thuỷ tinh có độ bền điện rất lớn có thể chịu điện áp một chiều trong điện trường đồng nhất tới 50 kV/mm

- Điện môi bằng composite: composite chịu xung lực cơ khí tốt không cho nước bám bề mặt, trọng lượng nhẹ, cường độ cách điện trong trường đồng nhất đạt 28 kV/mm

3.1.2 Cách điện bằng sứ

Sứ là vật liệu kỹ thuật, có độ bền cơ học, độ bền điện, độ bền hoá học và nhiệt cao, cường độ cách điện của sứ trong điện trường đồng nhất (với mẫu sứ dày 1.5 mm) có thể đạt 30-40 kV/mm Tuy nhiên khi độ dày sứ tăng thì cường

độ cách điện giảm và trong điện trường đồng nhất thì có thể giảm hơn nữa Sứ có thể làm việc rất tốt khi bị nén còn khi bị uốn hoặc kéo thì kém hơn, độ bền cơ giới của các mẫu sứ có đường kính 2-3 mm đạt 44 kg/cm2 khi nén, 7 kg/cm2 khi uốn nhưng chỉ còn 3 kg/cm2 khi kéo Trong chế tạo độ dày của sứ thường không quá 30-40 cm (trừ trường hợp sứ thanh) vì nếu dày quá sẽ không tránh được các bọt khí bên trong làm ảnh hưởng đến đặc tính cách điện

Độ bền cơ giới của sứ còn phụ thuộc vào kết cấu của bộ phận kim loại

và cách gắn nó với sứ và bao giờ cũng giảm khi tiết diện tăng

Thông số kỹ thuật của cách điện bằng sứ :

- Trọng lượng riêng : 2,3 - 2,5 g/cm3

- Hệ số dãn nở dài (trong khoảng 20-100°C): 3,8.10-6 l/°C

- Độ dãn nhiệt: 1,0-1,2 kcal/mg°C

- Điện trở suất khối : 1013 - 1014  - cm

có thể giảm được dòng rò điện trên bề mặt và tăng điện áp phóng điện bề mặt của sứ việc tráng men còn loại bỏ được các vết nứt nhỏ trên bề mặt sứ

Hình dáng và kích thước của sứ cách điện có thể rất khác nhau, khi thiết kế sứ cách điện cần phải chú ý đến đặc điểm độ bền chịu nén có trị số lớn hơn rất nhiều độ bền chịu kéo hoặc độ bền uốn, vì vậy những sứ nào chịu tác dụng của tải trọng cơ lớn thường được bố trí ở trạng thái chịu nén Đặc tính điện quan trọng nhất của sứ cách điện điện áp cao là trị số điện áp phóng điện giữa hai điện cực

Do sứ cách điện thường có chiều dày lớn và cường độ cách điện cao nên khó có thể xảy ra phóng điện chọc thủng mà thường diễn ra phóng điện trên bề mặt của sứ Do phần lớn bề mặt sứ bị ướt nên khi có mưa, điện áp phóng điện ướt của sứ thường nhỏ hơn 30-40% so với điện áp phóng điện khô

Hình I.7 : Cách điện bằng sứ

3.1.3 Cách điện bằng thuỷ tinh

Cách điện bằng thuỷ tinh được dùng rất rộng rãi đặc biệt từ cấp điện áp 6kV trở lên chúng có cường độ cách điện cao, độ bền cơ giới lớn và chịu được sự tác động của môi trường khí quyển Thành phần của thuỷ tinh ngoài những ôxít tạo thành thuỷ tinh (Si02, B203) còn có các loại ôxít khác như:

Na20, K20, CaO, BaO PbO

Các đặc tính của thuỷ tinh biến đổi trong phạm vi rộng, chúng phụ thuộc vào thành phần cấu tạo và chế độ nhiệt luyện hay công nghệ gia công thuỷ tinh Khối lượng của thuỷ tinh biến động trong khoảng 2-8,1 g/cm3 độ bền nén của thuỷ tinh  = 6000-21000 kg/cm2, độ bền kéo của thủy tinh  = 100- 300 kg/cm2, trong điều kiện bình thường thuỷ tinh rất giòn, dễ bị vỡ khi chịu tải trọng động Thuỷ tinh có nhiệt độ nóng chảy không ổn định, điện dẫn

bề mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào tình trạng bề mặt, nó tăng lên khi mặt ngoài của thuỷ tinh bị nhiễm bẩn Khi độ ẩm của môi trường xung quanh tăng thì điện dẫn mặt ngoài cũng tăng Cường độ điện trường đánh thủng của thuỷ tinh ít phụ thuộc vào thành phần cấu tạo, mà phụ thuộc chủ yếu vào lượng bọt khí có trong thuỷ tinh Thuỷ tinh có độ bền điện rất lớn, có thể chịu điện áp một chiều trong điện trường đồng nhất tới 50 kV/mm Cách điện thủy tinh (ít kiềm) có những ưu việt hơn cách điện sứ nhờ công nghệ sản xuất hiện đại, như trong chế tạo dùng phương pháp tôi nóng ở nhiệt độ cao (780°C) sau đó được thổi bằng không khí lạnh nhờ đó nâng được độ bền cơ giới của cách điện thuỷ tinh lên cao

Thồng số kỹ thuật của cách điện thuỷ tinh :

- Cường độ cách điện : 50 kV/mm

- Hằng số điện môi tương đối  = 5,5 - 10

- tg ở 20°c = 2 - 3%

- Điện trở suất khối ở 20°c, 50Hz : 4,5.1013.cm

- Điện trở suất mặt : 4.1014 

- Độ bền uốn của thuỷ tinh: 600 kg/cm2

Cách điện thuỷ tinh thường có kết cấu dạng đĩa, có mũ và thanh kim loại được chế tạo bằng gang và được gắn vào điện môi

Việc ghép các đĩa thành chuỗi được tiến hành bằng cách cho các thanh kim loại của đĩa này khớp vào mũ các đĩa khác và dùng chốt hãm Kích thước

và hình dạng của đĩa ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính điện, phải đảm bảo không cho phóng điện chọc thủng xảy ra trước khi có phóng điện mặt ngoài bằng cách giữ tỷ lệ giữa điện áp phóng điện chọc thủng và điện áp phóng điện khô (mặt ngoài) không bé hơn trị số 1,5 Thường trị số phóng điện khô khoảng 75 kV do đó để có điện áp phóng điện chọc thủng lớn gấp rưỡi thì chiều dày của lớp đầu cách điện phải từ 25-30 mm trở lên, mặt trên của đĩa nghiêng một góc khoảng 5- 100 để thoát nước còn bên dưới có gờ để tăng chiều dài rò điện và trị số điện áp phóng điện ướt

Cách điện thủy linh có những ưu điểm nổi bật so với cách điện bằng sứ như sau:

Cách điện thuỷ tinh có giá thành rẻ hơn nhiều so với cách điện của sứ cùng chủng loại

Cách điện thuỷ tinh dễ bị vỡ tan khi bị hư hỏng nên các sự cố về cách điện dễ dàng được phát hiện, thuận lợi cho người vận hành

Dùng thuỷ tinh làm điện môi cho phép cơ giới hoá và tự động hoá toàn

bộ quá trình sản suất do đó đem lại hiệu quả kinh tế cao

Hình I.8 : chuỗi sứ cách điện bằng thủy tinh gồm nhiều đĩa

3.1.4 Cách điện bằng composite

Cách điện Composite đã sử dụng ngày càng nhiều trong cả dải điện áp truyền tải và phân phối đồng thời chiếm một thị phần rộng lớn Cách điện Composite có thể chịu điện áp tương đương hoặc cao hơn so với cách điện sứ

và thủy tinh Việc lắp đặt dễ dàng nên chi phí nhân công, đồng thời khi sử dụng, giảm chi phí bảo trì, chi phí vệ sinh cách điện mà với cách điện sứ và thủy tinh thì vệ sinh đòi hỏi phải thực hiện thường xuyên trong môi trường nhiễm bẩn Vì vậy nó được đánh giá có ưu điểm lớn hơn so với cách điện vô

cơ (chủ yếu là cách điện sứ và thủy tinh)

Cách điện composite cấu tạo từ một lõi bằng sợi thuỷ tinh tẩm trong một chất kết dính (nhựa epôxi) và phần vỏ bên ngoài có tán để bảo vệ lõi Lõi được làm bằng sợi thuỷ tinh tẩm nhựa epoxy, (FRP - Fiber Renforced Plastic) dạng hình trụ, có đường kính khác nhau tương ứng với độ bền phá huỷ bé nhất của cách điện

Hình I.9 Chuỗi cách điện polimer Vật liệu tổng hợp bọc bên ngoài bằng có thể là EPDM (Ethylène Propyèene Diène Méthylène) hoặc EPR (Ethylène Propylene Ruber) hoặc PTFE (Polytétraifluora Ethyène) hoặc cao su silicon (Silicone Ruber)

Tuy nhiên hiện nay người ta thường chế tạo bằng cao su silicon, đây là chất dẻo tổng hợp hữu cơ có công thức hoá học liên kết chuỗi giữa Si và O, và

từ nguyên tử Si lại có liên kết tia với CH3, các tia này tạo thành một lớp

"lông" trên hề mặt có tác dụng đẩy nước ra ngoài

Khi có các hạt sương con bám vào, lúc đầu chúng co cụm lại dần thành các giọt sương lớn và do trọng lượng các hạt sương lớn nó sẽ trôi theo chiều nghiêng của cách điện, bề mặt của cách điện sẽ được nước mưa rửa sạch hầu như triệt để

Loại cách điện silicon này chịu được tia tử ngoại của nắng tốt, chống được sự lão hoá và thay đổi đặc tính cách điện, không bị biến màu, khi đốt cao su silicon sinh ra bột tro màu trắng Cách điện composite gốc cao su silicon có nhũng ưu điểm vượt trội so với cách điện sứ và cách điện thuỷ tinh như sau:

- Không cho nước bám vào bề mặt, vì vậy chống bụi ô nhiễm bám rất

tốt, trị số phóng điện bề mặt hầu như không đổi trong suốt đời tuổi thọ ngay

cả trong môi trường bụi ô nhiễm

- Tính chất điện môi tốt (góc tổn hao nhỏ, điện trở suất lớn), tính chất

cơ học rất tốt, kích thước và hình dáng đa dạng

- Chống được tia tử ngoại của nắng làm lão hoá và thay đổi đặc tính cách điện, không biến màu

- Trọng lượng, kích thước nhỏ và nhẹ hơn kích thước cách điện sứ và thuỷ tinh cùng cấp điện áp, giảm được kích thước của xà, lắp ráp và thay thế

dễ dàng

- Cách điện composite cao su silicon chịu xung lực cơ khí tốt, trong khi cách điện sứ và thuỷ tinh có thể bị vỡ khi bị xung lực cơ khí Đây là loại cách điện rất thích hợp đi gần nơi khai thác khoáng sản như là: khai thác đá, than…

Tuy nhiên ngoài những ưu điểm trên, cách điện composite cao su silicon còn có những nhược điểm so với cách điện thuỷ tinh và sứ như sau:

- Giá thành còn đắt hơn khoảng 20-30% so với cách điện thủy tinh

- Tác dụng tự làm sạch bề mặt của cách điện composite cao su silicon không phát huy tác dụng tại những vùng không hoặc ít mưa

- Cách điện dạng thanh composite cao su silicon có ty bằng sợi thuỷ tinh đúc không chịu được lực xoắn và uốn, khi xoắn hoặc uốn có thể bị nứt dọc ty, còn khi treo thì cách điện composite phải đảm bảo chúng không bị uốn khi lắp đặt cũng như trong quá trình vận hành

- Đặc tính composite là vùng tiếp giáp giữa các thành phần luôn là vùng xung yếu do liên kết hóa học và kết cấu vật lý ở vùng này không ổn định bằng liên kết trong bản thân từng thành phần Trong quá trình vận hành, dưới tác

động của nhiều tác nhân như điện, cơ học, nhiệt độ, độ ẩm, ô nhiễm các

thành phần của vật liệu bị già hoá đặc biệt là liên kết giữa các thành phần tại

lớp tiếp giáp bị suy yếu và gây nên sự suy giảm tính chất điện mỗi của vật liệu như tăng tổn hao, giảm điện trở suất, xuất hiện hiện tượng cây điện

- Mặt khác từ khi tuyến đường dây tải điện 500kV Bắc Nam đưa vào vận hành, nhiều công nghệ và thiết bị hiện đại, tiên tiến đã được giới thiệu và một phần đưa vào sử dụng trong hệ thống điện Việt Nam trong đó có cách điện Composite

Tuy nhiên, đối với điều kiện vận hành của Việt Nam với đặc thù khí hậu nóng ẩm, mưa nhiều và giông sét nhiều, việc đưa cách điện Composite vào sử dụng, cụ thể trên các dây tải điện còn gặp nhiều trở ngại với một số nguyên nhân chính sau:

Khả năng chịu đựng khí hậu nói chung là khắc nghiệt của Việt Nam của cách điện Composite chưa được kiểm chứng một cách rõ ràng Nhất là độ lão hóa do điều kiện bên ngoài cũng như điều kiện vận hành Các số liệu thống kê về sự cố vận hành do sử dụng sứ composite, tuổi thọ của cách điện cũng chưa được rõ ràng vì đòi hỏi thời gian dài vận hành.Trong sửa chữa, bảo dưỡng, cách điện bằng Composite có những ưu điểm nổi trội như nhẹ, dễ thao tác trong lắp đặt nhưng lại có mặt yếu là khó phát hiện chỗ hư hỏng(nứt, mẻ, gãy…) bằng mắt thường so với cách điện bằng thủy tinh hay gốm sứ Điều này dẫn đến những khó khăn trong vận hành, bảo dưỡng sửa chữa, phát hiện

và khắc phục sự cố đường dây

3.2 Kết cấu các loại cách điện của đường dây tải điện trên không

Hiện nay trên các đường dây tải điện tùy theo cấp điện áp, tùy theo vị trí lắp đặt, mà người ta sử dụng các loại cách điện có kết cấu khác nhau

3.2.1 Cách điện đứng

Đây là loại cách điện thường được sử dụng ở cấp điện áp từ 35 kV trở xuống Điện áp càng cao thì yêu cầu về đường kính và chiều cao của cách điện càng lớn, nghĩa là độ dày của điện môi phải lớn nên trong chế tạo khó

đảm bảo phẩm chất Do vậy cách điện 35 kV người ta đã phải dùng 2 đến 3 lớp ghép lại

Hình I.10 : Kết cấu cách điện đứng

Đối với cấp điện áp cao hơn sẽ không dùng loại cách điện đứng vì kết cấu lúc đó sẽ rất cồng kềnh và không đạt được độ bền chịu uốn cần thiết

Chân sắt của cách điện đứng được dùng để cố định cách điện vào cột,

xà, được vặn ngang mức cổ cách điện để cho mômen uốn do lực căng của dây dẫn tác dụng lên nó là bé nhất

Điện áp phóng điện chọc thủng của cách điện đứng có trị số cao hơn phóng điện khô mặt ngoài 30-40%

Khi bị mưa phần ngoài cách điện của cách điện bị ướt hoàn toàn chỉ phần dưới là vẫn khô ráo và nó phải chịu toàn bộ điện áp Do đó trị số phóng điện ướt rất bé hơn so với trị số phóng điện khô Để tăng trị số phóng điện ướt người ta thường dùng lá giữ cho mặt ngoài không bị ướt hoàn toàn, tuy nhiên loại này phức tạp hơn do trong quá trình chế tạo phải qua khâu tiện và hàn gắn các bộ phận lại với nhau

Bảng I.1: Kích thước và đặc tính của cách điện đứng