Bài giảng , bài tập có lời giải , đề thi môn kĩ thuật điện cao áp.

KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP HIGH VOLTAGE ENGINEERING Biên soạn và trình bày: TS. Nguyễn Đức Tường MỘT SỐ CÂU HỎI GỢI MỞ 1. Phân biệt các loại điện áp sau đây: Điện áp danh định, định mức, lớn nhất, nhỏ nhất và quá điện áp. 2. Sét đánh vào các phần tử, thiết bị điện trong HTĐ có nguy hiểm không? 3. Làm thế nào để tránh hoặc hạn chế sét đánh vào các phần tử HTĐ? 4. Các nguyên nhân gây ra quá điện áp trong HTĐ? 5. Quá điện áp ảnh hưởng gì tới HTĐ? 6. Làm thế nào để hạn chế số lần và biên độ của quá điện áp? 7. Ngắn mạch trong HTĐ do những nguyên nhân nào? 8. Các dây dẫn pha có cần cách điện với nhau và cách điện với đất không? 9. Cách điện đường dây, cách điện trong trạm biến áp phải tính chọn như thế nào để có thể làm việc lâu dài và kinh tế nhất?

KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

HIGH VOLTAGE ENGINEERING

Biên soạn và trình bày: TS Nguyễn Đức Tường

MỘT SỐ CÂU HỎI GỢI MỞ

1 Phân biệt các loại điện áp sau đây:

Điện áp danh định, định mức, lớn nhất, nhỏ nhất và quá điện áp.

2 Sét đánh vào các phần tử, thiết bị điện trong HTĐ có nguy hiểm không?

3 Làm thế nào để tránh hoặc hạn chế sét đánh vào các phần tử HTĐ?

4 Các nguyên nhân gây ra quá điện áp trong HTĐ?

5 Quá điện áp ảnh hưởng gì tới HTĐ?

6 Làm thế nào để hạn chế số lần và biên độ của quá điện áp?

7 Ngắn mạch trong HTĐ do những nguyên nhân nào?

8 Các dây dẫn pha có cần cách điện với nhau và cách điện với đất không?

9 Cách điện đường dây, cách điện trong trạm biến áp phải tính chọn như thế nào

để có thể làm việc lâu dài và kinh tế nhất?

GIỚI THIỆU HỌC PHẦN KTĐCA

1 Tổng quan về kỹ thuật điện cao áp

2 Phóng điện sét và tham số của phóng điện sét

3 Tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp (cấp 1)

4 Quá trình truyền sóng

5 Bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện

6 Bảo vệ quá điện áp cho trạm biến áp và nhà máy điện (cấp 2)

7 Quá điện áp quá độ và các biện pháp hạn chế QAQĐ

8 Tính chọn và phối hợp cách điện trong Hệ thống điện

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

CHƯƠNG 1

1 Định nghĩa và khái niệm cơ bản.

2 Cách điện và các thông số cơ bản của cách điện.

3 Điện áp tiêu chuẩn thử nghiệm cách điện.

4 Máy phát cao áp và thử nghiệm cách điện.

5 Phương thức nối đất và lựa chọn phương thức nối đất trong HTĐ.

6 Tính toán nối đất.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CÁC TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG:

IEC - International Electrical Committy

BSS - Bristan Standard System

IEEE - Institute of Electrical and Electronics EngineersANSI - American National Standards Institute

AIEE - The American Institute of Electrical Engineers

CHỮ VIẾT TẮT

BIL - Basic Lightning Impulse Level.

BSL (BSIL) - Basic Switching Impulse Level.

CFO – Cirtical Flashover

1.1 ĐỊNH NGHĨA và KHÁI NIỆM CƠ BẢN

ĐIỆN ÁP VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP_IEC 60038, IEC 60071

 Điện áp của Hệ thống

 Điện áp danh định U n (Nominal voltage U n ): là điện áp dùng để xác nhận một hệ thống [1].

VD: 3 kV; 6 kV; 10 kV; 20 kV; 110 kV; 220 kV; 380 kV; 500 kV…

 Điện áp lớn nhất của hệ thống (Highest system voltage U S)

 Điện áp làm việc lớn nhất giữa các pha (giá trị hiệu dụng RMS) trong điều kiện làm việc bình thường Có thể xảy ra bất kỳ thời điểm nào và vị trí nào trong hệ thống [2].

VD: 3,6 kV; 7,2 kV; 12 kV; 24 kV; 123 kV; 245 kV; 420 kV; 550 kV (IEC 60038)

 Điện áp nhỏ nhất của hệ thống (Lowest system voltage U L)

 Điện áp làm việc nhỏ nhất giữa các pha (giá trị hiệu dụng RMS) trong điều kiện làm việc bình thường Có thể xảy ra bất kỳ thời điểm nào và vị trí nào trong hệ thống [2].

Điện áp lớn nhất và nhỏ nhất của hệ thống không bao gồm chế độ quá độ và điều kiện làm

ĐIỆN ÁP VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP_IEC 60038, IEC 60071

 Điện áp của thiết bị

 Điện áp định mức U đm (Rated voltage U R ): là điện áp cho bởi nhà sản xuất, để xác định điều kiện làm việc của một bộ phận hay của thiết bị.

 Điện áp lớn nhất của thiết bị (Highest voltage for equipment U m ): là điện áp lớn nhất của thiết

bị điện được quy định liên quan đến:

 Cách điện,

 Các đặc tính khác liên quan đến điện áp lớn nhất được khuyến cáo

Điện áp lớn nhất của thiết bị là trị số cực đại của điện áp lớn nhất của hệ thống

VD: 3,6 kV; 7,2 kV; 12 kV; 24 kV; 123 kV; 245 kV; 420 kV… (IEC 60071-1)

[1] IEC Std 60038, ‘IEC standard voltages’, vol.6, 2002.

ĐIỆN ÁP VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP_IEC 60038, IEC 60071

 Quá điện áp (overvoltage)

- Điện áp bất kỳ giữa dây dẫn pha và đất hoặc dọc theo chiều dài của cách điện, có biên độ (trị

số đỉnh) lớn hơn biên độ điện áp pha lớn nhất của hệ thống [2].

Thường được xác định bằng bội số quá áp Ku (p.u), với:

- Hoặc điện áp bất kỳ giữa các dây dẫn pha có biên độ lớn hơn điện áp lớn nhất của hệ thống.

Nguyên nhân gây ra quá điện áp trong HTĐ:

- Chạm đất 1 pha bằng hồ quang,

- Đóng, cắt các phần tử như MBA, ĐZK, Tụ điện…

- Sét đánh gần, trực tiếp vào ĐZK, TBA hay NMĐ.

[1] IEC Std 60038, ‘IEC standard voltages’, vol.6, 2002.

S u

2U K

3



ĐIỆN ÁP VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP_IEC 60038, IEC 60071

Tác hại đối với HTĐ:

- Phóng điện trên cách điện đường dây,

- Lan truyền vào trạm biến áp và nhà máy điện gây nguy hiểm cho cách điện,

- Suy giảm tuổi thọ cách điện,

- Gây ra sự cố ngắn mạch,

- Làm giảm độ tin cậy cung cấp điện,

- Gây mất ổn định HTĐ…

ĐIỆN ÁP VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP_IEC 60038, IEC 60071

 Phân loại quá điện áp

 Quá áp tạm thời (temporary overvoltage_TOV)

Là quá điện áp ở tần số công nghiệp có thời gian tác động tương đối dài (từ 30 ms tới 3600 s)

 Quá áp quá độ (transient overvoltage)

Thời gian quá áp ngắn vài mini giây hoặc ngắn hơn, dao động hoặc không dao động, thôngthường gây ra thiệt hại lớn:

- Quá áp đầu sóng ít dốc (slow-front overvoltage_SFO):

- Quá áp đầu sóng dốc (fast-front overvoltage_FFO):

Một chiều, thời gian đỉnh từ 0,1 s đến 20 s và thời gian sóng tới 300 s

- Quá áp đầu sóng rất dốc (very fast-front overvoltage_VFFO):

Một chiều, thời gian đỉnh tới 0,1 s, có hoặc không có dao động ở tần số từ 30 kHz tới

100 MHz

PHÂN LOẠI VÀ THAM SỐ CỦA QUÁ ĐIỆN ÁP THEO IEC 60071-1:

ĐIỆN ÁP VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP_IEC 60038, IEC 60071

 Các loại điện áp sử dụng trong phối hợp cách điện

 Quá điện áp đại diện (Representative Overvoltage)

Quá điện áp đại diện là quá điện áp giả thiết, tạo ra cùng hiệu ứng điện môi trên cách điện với quá điện áp xảy ra trong điều kiện làm việc thực tế.

 Điện áp chịu đựng_U w (Withstand Voltage)

Là điện áp chịu đựng của cách điện, được xác định trong điều kiện thử nghiệm mà không xẩy

ra phóng điện (hay còn gọi là Cường độ cách điện).

 Điện áp chịu đựng yêu cầu_U rw (Required Withstand Voltage)

Là điện áp chịu đựng của cách điện trong điều kiện thí nghiệm để chắc chắn rằng cách điện phải chịu đựng được các loại quá điện áp thực tế trong vận hành.

 Điện áp chịu đựng phối hợp_U cw (Co-ordination Withstand Voltage)

Là điện áp chịu đựng của mỗi một loại điện áp, ứng với cấu trúc cách điện trong thực tế.

ĐIỆN ÁP VÀ QUÁ ĐIỆN ÁP_IEC 60038, IEC 60071

 Các loại điện áp sử dụng trong phối hợp cách điện

 Điện áp chịu đựng định mức (Rate Withstand Voltage)

Là giá trị điện áp thử nghiệm áp dụng một loại điện áp chịu đựng tiêu chuẩn nào đó để chứng minh rằng cách điện phù hợp với một hoặc nhiều loại điện áp yêu cầu Điện áp này là một giá trị định mức của cách điện cho một thiết bị điện.

 Điện áp chịu đựng định mức tiêu chuẩn (Standard Rate Withstand Voltage)

Là điện áp chịu đựng mức được tiêu chuẩn hóa Ví dụ như trị số điện áp chịu đựng xung định mức tiêu chuẩn ghi trong bảng

1.2 CÁCH ĐIỆN và THÔNG SỐ CỦA CÁCH ĐIỆN

 Nhiệm vụ:

oCách ly các phần dẫn điện với nhau,

oCách ly các bộ phận có điện áp với phần không có điện áp,

oCách ly bộ phận có điện áp với đất,

 Phân loại cách điện:

 Cách điện ngoài (external insulation)

Là cách điện đặt trong không khí hoặc dọc theo bề mặt của cách điện rắn tiếp xúc vớikhông khí và chịu tác động trực tiếp từ môi trường khí quyển như ô nhiễm, độ ẩm, ápsuất

 Cách điện trong (internal insulation)

Là phần cách điện rắn, lỏng, khí của thiết bị điện được bảo vệ bằng vỏ kín, tránh sự tácđộng của khí quyển và các tác động khác

 Phân loại cách điện:

 Cách điện tự phục hồi (self-restoring insulation)

Tự khôi phục hoàn toàn tính chất cách điện sau phóng điện (hoặc phóng điện bề mặt)gây ra bởi điện áp hoặc sau một thử nghiệm phóng điện chọc thủng trong khoảng thờigian ngắn Loại cách điện này thông thường là cách điện ngoài

 Cách điện không tự phục hồi (non self-restoring insulation)

Mất tính chất cách điện hoặc không có khả năng phục hồi hoàn toàn tính chất cách điệnsau phóng điện hoặc sau thử nghiệm phóng điện chọc thủng Loại cách điện này thường

là cách điện trong

 Khí (không khí, SF6, N…)

 Lỏng (dầu, benzene, Nitrogen lỏng, Silicon lỏng…)

 Rắn (giấy tẩm dầu, gốm, sứ, thủy tinh, silicon, polime…)

 Đặc điểm:

Chất lượng của một loại cách điện được đánh giá qua cường độ cách điện và độ bền cách điện theo thời gian làm việc.

 Cường độ cách điện đặc trưng bởi (IEEE 1313):

o Mức cách điện xung sét cơ bản BIL (Basic Lightning Impulse Level)

o Mức cách điện xung đóng cắt cơ bản BSL (Basic Switching impulse Level)

o Điện áp phóng điện tới hạn CFO (Cirtical Flashover Voltage).

 Cường độ cách điện đặc trưng bởi (IEC 60071):

o Điện áp chịu đựng xung sét U 90% (Lightning Impulse Withstand Voltage)

o Điện áp chịu đựng xung đóng cắt U 90% (Switching impulse Withstand Voltage)

o Điện áp phóng điện trung bình U 50% (Cirtical Flasshover Voltage).

- Phương pháp tiêu chuẩn (ước định): BIL và BSL là một trị số điện áp (kV) bằng với giá trị

đỉnh của điện áp tiêu chuẩn mà ở đó xác suất phóng điện bằng không (hay trị số điện áp mà

có tổng số lần xẩy ra phóng điện bằng không, tương ứng với xác suất chịu đựng điện áp là 100%), thường được gọi là Điện áp chịu đựng ước định.

- Phương pháp thống kê: BIL, BSL là trị số điện áp (kV) mà ở đó xác xuất chịu đựng điện áp

là 90% (hay trị số điện áp mà xác suất xảy ra phóng điện trên cách điện băng 10%), thường

được gọi là Điện áp chịu đựng thống kê BIL và BSL thường sử dụng hàm phân bố tích lũy

Gauss (IEEE) hoặc Weibull (IEC).

- Điều kiện môi trường để thử nghiệm cách điện:

• Nhiệt độ môi trường 20 o C,

• Áp suất khí quyển 101,3 kPa hoặc 1 at,

• Độ ẩm tuyệt đối 11 gram nước/m 3 không khí,

• Thử nghiệm cách điện ướt từ 1 tới 1,5 mm nước/phút.

XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CÁCH ĐIỆN Khi biết CFO có thể xác định được BIL hoặc BSL theo biểu thức sau (IEEE):

Trong đó:

f là độ lệch chuẩn của CFO, đặc trưng cho mức

độ phân tán của điện áp phóng điện.

f /CFO = 2%3% cho quá áp khí quyển,

f /CFO = 5% quá áp đóng cắt tính cho cách điện

2

1 )

U ( f

1 4

Z ).(

2 (ln

5 , 0 1 e

1 ) U (

XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CÁCH ĐIỆN Khi biết CFO có thể xác định được BIL hoặc BSL theo biểu thức sau (IEC):

Với độ lệch chuẩn được xác định theo biểu thức:

Trong đó: U 16% là điện áp phóng điện ứng với xác suất 16% số lần xẩy ra phóng điện.

f

% 50

% 90

3 , 1 CFO BSL

3 , 1 CFO BIL

hay

3 , 1 U

% 50

f  U  U



XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CÁCH ĐIỆN

Ví dụ: Xác định mức cách điện xung đóng cắt cơ bản của 1 loại cách điện đường dây Biết

các lần phóng điện cho ở bảng sau:

Cường độ cách điện được tiêu chuẩn hóa theo IEC 60071.1, ANSI C92 hoặc IEEE 1313.

CƯỜNG ĐỘ CÁCH ĐIỆN TIÊU CHUẨN-BIL, BSL

95 125 145

Điện áp chịu đựng tiêu chuẩn cho dải I (1 kV < U ≤ 245 kV)_IEC 60071.1.

Chú thích: Nếu giá trị trong ngoặc đơn không đủ đáp ứng các yêu cầu điện áp cách điện pha- pha, thì cần tăng điện áp cách điện lên mức lớn hơn.

CƯỜNG ĐỘ CÁCH ĐIỆN TIÊU CHUẨN-BIL, BSL

* Giá trị đỉnh của điện áp xung thử nghiệm kết hợp với điện áp pha lớn nhất của nguồn nhưng ngược cực tính (U m ×√2 / √3).

** Sử dụng cho cách điện pha-đất hoặc pha-pha Đối với cách điện dọc thì bằng 0,7 điện áp pha lớn nhất của nguồn nhưng ngược cực tính (0,7×Um×√2/√3).

Điện áp chịu đựng tiêu chuẩn BIL và BSL của máy biến áp và cách điện xuyên theo ANSI C92 hoặc IEEE 1313.

Điện áp danh định/Điện áp lớn nhất_U n /U m

1.3 ĐIỀU KIỆN TIÊU CHUẨN THỬ NGHIỆM CÁCH ĐIỆN

- Các phần tử hay thiết bị điện trong HTĐ phải chịu được:

 Điện áp định mức,

 Điện áp làm việc lớn nhất,

 Các loại quá điện áp nội bộ,

 Đa số các quá điện áp khí quyển trừ một số ít quá điện áp có biên độ lớn nhưng xác suất xuất hiện nhỏ.

Do vậy, cần phải thử nghiệm thiết bị điện theo các loại điện áp và quá điện áp để khi lắp đặt vào HTĐ, chúng có thể làm việc lâu dài mà không gây sự cố.

- Mỗi một loại thiết bị có thể được thử nghiệm với các loại điện áp như Điện áp xoay chiềutần số nguồn, điện áp xung đóng cắt, điện áp xung sét trên cơ sở kỹ thuật và tiêu chuẩn củamỗi quốc gia

Tại sao thiết bị điện và trang thiết bị điện phải thử nghiệm?

Tại phòng thí nghiệm

NỘI DUNG THỬ NGHIỆM

Điện áp

Cường độ cách điện

Tại nhà máy sản xuất

Tại công trường

MỤC TIÊU

Đảm bảo rằng cách điện của thiết bị đáp ứng được các yêu cầu làm việc và tiêu chuẩn

Tìm kiếm khuyết tật của cách điện có thể tác động ngắn hạn hoặc dài hạn trong quá trình làm việc

Loại trừ những khả năng dẫn đến giảm tuổi thọ, thiệt hại tài sản…

TIÊU CHUẨN THỬ NGHIỆM

o Kiểu điện áp thử nghiệm,

o Độ lớn điện áp thử nghiệm,

o Loại thời gian biến thiên,

o Độ lệch chuẩn.

IEC 60060 Testing and measurements

IEC 60071 Insulation coordination (overvoltage protection)IEC 61180 HV testing technique for LV equipment

IEC 60694 HV switchgear

IEC 61083 Digital recording instrumentation

IEC 60270 PD measurements

IEC 61211 Breakdown tests for insulators

IEC 60410 Sample acquisition and statistical processing

o Đánh giá khả năng chịu đựng điện áp tấn số nguồn 50 Hz (60 Hz),

o Điện áp thí nghiệm lớn hơn điện áp làm việc của thiết bị,

o Cách điện trong chỉ thí nghiệm với điều kiện khô,

o Cách điện ngoài thí nghiệm theo điều kiện ướt tiêu chuẩn.

ĐIỆN ÁP THỬ NGHIỆM TIÊU CHUẨN:

• Tần số từ 48 Hz – 62 Hz,

• Đỉnh dương và âm của điện áp lệch nhau nhỏ hơn 2%,

• Tỉ số U/U hd (đỉnh/RMS) nằm trong khoảng 1,34 – 1,48,

• Thời gian thử nghiệm < 60 s: điện áp thử nghiệm sai lệch 1%,

• Thời gian thử nghiệm > 60 s: điện áp thử nghiệm sai lệch 3%.

ĐIỆN ÁP THỬ NGHIỆM XUNG ĐÓNG CẮT TIÊU CHUẨN (IEC 60060)

ĐIỆN ÁP THỬ NGHIỆM TIÊU CHUẨN:

o Thử nghiệm cách điện ở cấp điện áp >300 kV

o Điện áp có dạng xung, sai số giá trị đỉnh  3%,

o Thời gian đỉnh là khoảng thời gian điện áp

tăng từ 0 tới giá trị đỉnh Thời gian đỉnh được tiêu chuẩn hóa t p =250 s  20%,

o Thời gian nửa đỉnh là khoảng thời gian mà

điện áp tăng từ 0 tới khi giảm còn 0,5 điện áp đỉnh Thời gian nửa đỉnh được tiêu chuẩn hóa

t s =2500s60%.

1 0.9

0.5 0.3

ĐIỆN ÁP THỬ NGHIỆM TIÊU CHUẨN:

• Tiêu chuẩn Quốc tế

(IEC-International Electrotechnical Commission):

t P /t s = 1,2 (30%) s/50 (20%)s (1,2/50)

• Tiêu chuẩn Anh

(BSS-Bristan Standard System):

1.4 MÁY PHÁT CAO ÁP VÀ THỬ NGHIỆM CÁCH ĐIỆN

Máy phát xung 1 tầng: Tạo ra điện áp xung sét hay xung đóng cắt.

1 Điện dung CS nạp tới trị số U0

2 Ở mức U0 xảy ra phóng điện trên khe hở S

3 Điện dung Cb nạp tới trị số cực đại Khi Cb

phóng điện sẽ tạo ra điện áp xung u(t)

G là chỉnh lưu.

R L là điện trở điều khiển nạp cho C S .

R d là điện trở giới hạn dòng điện nạp, kết hợp với C b để xác định thời gian đỉnh t P .

R e và C b xác định thời gian sóng t S .

S

S

Máy phát xung nhiều tầng: Điện áp U0 = nUC

Máy phát xung 3 tầng Giai đoạn nạp điện Giai đoạn phóng điện

Để nâng cao hiệu suất sử dụng thì CS >> CbNăng lượng của xung:

KHÁI NIỆM CHUNG

Nối đất trong hệ thống điện nhằm các mục tiêu sau:

- Giảm mức cách điện của các thiết bị điện lực: nối đất tại trung tính máy biến áp điện lực sẽ giảm được điện áp làm việc cũng như giảm được cách điện của máy biến áp.

- Đảm bảo an toàn cho người: các bộ phận kim loại được nối đất sẽ giảm được điện áp tiếp xúc hay hệ thống nối đất kiểu lưới sẽ giảm được điện áp bước trong trạm biến áp.

- Tránh các tai nạn do cảm ứng tĩnh điễn: dòng điện cảm ứng tĩnh điện xuất hiện trên các bộ phận kim loại đặt gần các chất gây cháy có thể dẫn đến cháy, nổ hay làm nhiễu các thiết bị điện tử Nếu nối đất các bộ phận kim loại này, dòng điện sẽ được tản vào trong đất, hạn chế các nguy cơ hỏa họa.

- Giảm nhiễu loạn điện từ trường: nhiễu loạn điện từ trường có thể làm gián đoạn sự làm việc của các thiết bị điện tử Nếu nối đất tốt sẽ hạn chế được các nhiễu loạn này.

- Phát hiện sự cố chạm đất: trong mạng điện có trung tính cách điện với đất thì dòng điện chạm đất

có trị số nhỏ không đủ để khởi động bảo vệ rơ le Do vậy, nối đất trung tính sẽ tăng dòng điện chạm đất

và các bảo vệ rơ le khởi động theo dòng điện sẽ đủ độ nhậy để phát hiện và cách ly sự cố.