Bài giảng học phần Kỹ thuật cao áp: Chương 3 - TS. Nguyễn Văn Dũng

(BQ) Bài giảng Kỹ thuật cao áp - Chương 3: Áp lực điện trường cung cấp cho người học các kiến thúc tổng quan về áp lực điện trường, các công thức tính toán điện trường, tính toán điện trường của một số hệ thống cơ bản, đính toán điện trường của một số hệ thống cơ bản, phân bố điện trường của một số hệ thống thực tế.

CHƯƠNG III: ÁP LỰC ĐIỆN

TRƯỜNG

 Tổng quan

 Các công thức tính toán điện trường

 Tính toán điện trường của một số hệ thống cơ bản

 Độ dẫn điện của vật liệu cách điện

 Phân bố điện trường của một số hệ thống thực tế

1 Tổng quan

 Khi thiết bị chịu tác động của điện áp  hình dạng và kết cấu của các điện cực và cách điện sẽ quyết định ứng suất điện trường bên trong vật liệu

 Đặc tính chất cách điện (điện môi) lý tưởng

o Đồng nhất

o Không dẫn điện (=0)

o Hằng số điện môi không phụ thuộc tần số và nhiệt độ

o Phân bố điện trường trong vật liệu không phụ thuộc vào dạng sóng điện áp (AC, DC, Xung)

 Khi kết hợp hai hay nhiều chất cách điện lý tưởng sự phân bố điện áp phụ thuộc vào hằng số điện môi của các chất cách điện phân bố “điện áp điện dung” (capacitive voltage distribution)

 Khi kết hợp hai hay nhiều chất cách điện có   0

o Đối với điện áp DC ổn định: phân bố “điện áp điện trở”(resistive voltage distribution) phụ thuộc vào điện trở suất củavật liệu ( phụ thuộc vào nhiệt độ và cường độ điện trường)

o Đối với điện áp DC ở trạng thái quá độ (tại thời điểm nối kếtđiện- điện áp bước), AC, xung  phân bố “điện áp điện dung”(capacitive voltage distribution)

Ví dụ: hệ

thống gồm

hai lớp cách

điện

Màn chắn cách điện

 Tỉ số của hằng số điện môi:

r pressboard/ r oil  2

 Tỉ số độ dẫn điện:

- oil/ pressboard  10-1000

Phân bố điện dung (phụ

thuộc vào tỉ số r pressboard/ r

oil )

Phân bố điện trở (phụ thuộc vào tỉ số oil/ pressboard)

AC hay DC power

transformer?

2 Điện trường

 Thiết kế thiết bị cao áp cần được trang bị nền tảng kiến thức

về sự phân bố điện trường và phương pháp điều khiển ứng suất điện trường

 Sự phân bố điện trường và giá trị ứng suất điện trường sẽ quyết định kích thước của cách điện (chiều dày và chiều dài cách điện bề mặt)

 Cường độ điện trường, E (liên hệ mật thiết với điện thế V)

được xác định từ việc giải công thức Laplace (không có điện tích không gian) hoặc Poisson (có điện tích không gian)

Điện trường = lực điện trên 1 đơn vị điện tích

Khái niệm điện trường

Đặc tính của điện trường

 Điện trường bên trong vật dẫn điện bằng 0 (Điện tích tập trung

Điện tích tập trung tại các điểm nhọn trên bề mặt vật dẫn điện

Định lý Gauss

Điện trường của một vật mang điện tích cơ bản

Q dv

Q q

A d E A

d D

v v

i n

i

o r D

d 

A d

v S v

z y

y x

v

Q v

A d

D Dz

D x

D D

d grad

1 2

 Công thức Poisson

ds

d grad

E         

 

v v

v S v

z y

y x

v

Q v

A d

D Dz

D x

D D

r o v

v r

o

z y

x z

y x

grad div

2

2

2

2 2 2

Toán tử Laplace

 Nếu không tồn tại điện tích trong điện môi (chất cách điện), công thức Poisson  công thức Laplace

0

 

* Trong hầu hết các thiết bị cao áp, điện tích

không gian không tồn tại.

* Tuy nhiên trong các cấu trúc lớp cách điện như

cáp cao áp, sứ xuyên, tụ điện… có thể tồn tại điện

tích tại các bề mặt tiếp xúc giữa các lớp cách điện

3 Tính toán điện trường của một số hệ

3.1 Tụ phẳng

Tính:

- Điện dung C

- Cường độ điệntrường trong lớpcách điện giữahai bản cực?

3.2 Tụ trụ đồng tâm

Tính:

- Điện dung C

- Cường độ điệntrường tronglớp cách điện?

- Tỉ lệ R1/R2 đểđạt điện trườngnhỏ nhất tronglớp cách điện?

3.3 Tụ cầu

Cách bố trí thanh cái trong GIS

Tính:

- Điện dung C

- Cường độ điện trường trong lớp cách điện?

- Tỉ lệ R1/R2 để đạt điện trường nhỏ nhất trong lớp cáchđiện?

- Cường độ điện trường trong lớp cách điện?

Tổng hợp điện trường của một số hệ

thống cơ bản

4 Phân loại điện trường

 Điện trường được phân thành 2 loại: đều và không đều

 Điện trường không đều được phân tiếp thành: nữa đều và rất không đều

Điện trường đều giữa hai

bản phẳng

Điện trường rất không đều

giữa hai cực thanh

 Mức độ không đều của điện trường được ký hiệu bằng hệ số  (hệ

số Schwaiger)

1 0

1

max max

U E

Eave

5 Độ dẫn điện của vật liệu cách điện

 Chất cách điện lý tưởng:  = 0

 Chất cách điện sử dụng trong ngành kỹ thuật điện là không lýtưởng:  > 0

o Chất rắn: dẫn điện do điện tích di chuyển tự do (điện tử và ion)

o Chất lỏng: chứa các hạt mang điện tích (nước, sợi cotton…)

 Đối với chất lỏng cách điện: độ dẫn điện được dùng để đo lườngchất lượng cách điện vì  phụ thuộc vào mức độ ô nhiểm của chấtlỏng

 Tổn thất do độ dẫn điện nhỏ hơn so với tổn thất điện môi đối vớiđiện áp AC

 Độ dẫn điện rất quan trọng đối với các thiết bị DC: do phân bốđiện trường ở trạng thái ổn định phụ thuộc vào độ dẫn điện

 Độ dẫn điện  tăng khi nhiệt độ và cường độ điện trường tăng

 Tại vùng có điện trường cao, độ dẫn điện có giá trị đủ lớn  sinhnhiệt do hiệu ứng Joule  gây ra quá nhiệt đối với chất cách điện

 có thể gây ra phóng điện do nhiệt

 Ví dụ: điện trường của hệ thống điện cực của cáp cao áp DC

 *2

2

rl

I E

rl E

jA I

const I

r r

r r

- Nếu r = const  phân bố điện trường giống trường hợp AC (EDC= EAC) 

điện trường lớn nhất tại bề mặt lõi dẫn

- Thực tế, độ dẫn điện tăng khi nhiệt độ tăng  khi cáp mang tải, độ dẫn điện lớn nhất tại bề mặt lõi dẫn

+) Nếu  (r).r = const  Er = const

+) Nếu  (r).r tăng khi r giảm  Er nhỏ nhất tại bề mặt lõi dẫn  ngược lại với phân bố trong trường hợp AC

 : hệ số phụ thuộc điện trường của độ dẫn điện

6 Phân bố điện trường của một số hệ

thống thực tế

a Đầu nối cáp cao áp

Thảo luận: Nối trực

tiếp cáp cao áp vào

lưới điện không cần

đầu nối cáp?

Không có cone giảm

ứng suất ( stress cone )

 Tăng điện trường

tại đầu “giáp kim loại”

Có cone giảm ứng suất  giảm tập trung điện trường tại đầu

“giáp kim loại”

Rubber or elastomer

 Không có cone giảm ứng suất (stress cone)  Hình thành tụ không khí nối tiếp lớp cách điện có điện dung Ccd (Ckk<<Ccd)  điện áp rơi trên tụ Ckk tăng cao 

tăng điện trường tại đầu giáp kim loại

giảm mức độ tập trung đường sức điện trường tại đầu giáp kim loại

b Sứ xuyên

Thảo luận: cấu trúc sứ xuyên giống hay khác nhau giữa trung thế và cao thế?

C n = const khi a n nhỏ hơn

với bán kính r n lớn hơn

Mô phỏng điện trường của sứ xuyên

Kiểu thường Kiểu điện dung

Sứ xuyên 110 kV sử dụng cấu trúc điện dung

Squirrel contact!

Một phần lớp “bán dẫn” nằm ngoài rãnh stator

Thảo luận: Tác dụng lớp bán dẫn? Vật liệu lớp bán dẫn?

 Lớp bán dẫn dùng để loại trừ phóng điện cục bộ trong khe hở không khí giữa cách điện cuộn dây và rãnh stator

 Lớp bán dẫn nhô ra khỏi rãnh stator dùng để giảm điện trường tại cạnh stator bằng phương pháp “ phân tán điện trường bằng điện trở ” (resistive field grading)

 Mạch tương đương của hệ thống cách điện sử dụng phương pháp “phân tán điện trường bằng điện trở”

o Chia lớp bán dẫn thành n vòng

o Mỗi vòng có điện dung C so với lõi dẫn và điện trở R so với stator

o Vòng bán dẫn gần stator nhất có dòng đi qua lớn nhất  điện áp rơi lớn nhất

Thanh

dẫn

Stator