Ở nhiệt độ bình thƣờng năng lƣợng của chuyện động nhiệt của các phần tử không đủ để ion hóa, nhƣng nếu có điện trƣờng tác dụng thì các điện tích tự do có sẵn trong nội bộ chất khí sẽ c[r]
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT CAO ÁP
(CAO ĐẲNG CHÍNH QUY)
Hưng Yên 2015
Trang 2MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
CHƯƠNG 1.PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 4
1.1 Đặc tính chung của các chất khí cách điện 4
1.2 Các quá trình ion hóa trong chất khí 5
1.2.1 Ion hóa va chạm: 5
1.2.2 Ion hóa quang: 6
1.2.3 Ion hóa nhiệt: 6
1.2.4 Ion hóa bề mặt: 6
1.3 Các quá trình chủ yếu của phóng điện trong chất khí 7
1.4 Đặc tính Von-ampe và các dạng phóng điện của chất khí 8
CHƯƠNG 2.HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN SÉT VÀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 9
2.1 Khái niệm chung về hiện tượng phóng điện sét 9
2.1.1 Quá trình phóng điện sét 9
2.1.2 Tham số của dòng điện sét 9
2.1.3 Cường độ hoạt động của sét 11
2.2 Phóng điện xung kích 11
2.2.1 Điện áp xung kích 11
2.2.2 Máy phát điện áp xung 12
2.2.3 Đặc tính von-giây 15
2.3.4 Ý nghĩa của đặc tính Vôn-giây 17
2.3 Phóng điện vầng quang 17
2.3.1 Phóng điện vầng quang trên đường dây dẫn điện một chiều 19
2.3.2 Phóng điện vầng quang trên đường dây dẫn điện xoay chiều 20
2.3.3 Các phương pháp giảm tổn hao vầng quang 25
2.4 Truyền sóng trên đư ờng dây tải điện 27
2.4.1 Phương trình truyền sóng trên đường dây tải điện 27
2.4.2 Truyền sóng trên hệ thống nhiều đường dây 29
2.4.3 Phản xạ và khúc xạ của sóng 33
2.4.4 Quy tắc Petecxen 35
2.4.5 Quy tắc sóng đẳng trị 39
CHƯƠNG 3.BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 41
3.1 Khái niệm chung 41
3.2 Mô hình phạm vi bảo vệ 41
3.2.1 Phương pháp xác định phạm vi bảo vệ của cột thu lôi bằng thực nghiệm 41
Trang 33.3 Bảo vệ bằng cột thu sét 42
3.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét 42
3.3.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét 43
3.3.3 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét 45
3.4 Bảo vệ bằng dây thu sét 45
3.5 Khoảng cách an toàn trong không khí và trong đất trong lư ới điện phân phối 46
3.5.1 Để không xảy ra phóng điện trong không khí thì: 47
3.5.2 Để không xảy ra phóng điện giữa hai hệ thống nối đất thì: 47
CHƯƠNG 4.THIẾT BỊ CHỐNG SÉT 49
4.1.Yêu cầu đối với thiết bị chống sét 49
4.2 Thiết bị chống sét ống 50
4.2.1 Cấu tạo 50
4.2.2 Nguyên lý làm việc 50
4.2.3 Ứng dụng 51
4.3 Thiết bị chống sét van 52
4.3.1.Cấu tạo 52
4.3.2 Nguyên lý làm việc 54
4.3.3 Các loại chống sét van 1 Loại bình thường 55
CHƯƠNG 5.NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 57
5.1 Khái niệm chung 57
5.2 Điện trở nối đất xoay chiều 58
5.2.1 Hệ thống nối đất đơn giản 58
5.2.2 Hệ thống nối đất tổ hợp 59
5.3 Tính toán nối đất chống sét 61
5.3.1 Điện trở tản xung kích của nối đất tập trung 61
5.3.2 Nối đất phân bố dài 61
5.4 Lựa chọn các phương án nối đất hợp lý 63
5.4.1 Nối đất an toàn 63
5.4.2 Nối đất chống sét 64
CHƯƠNG 6.BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 66
6.1 Đường dây tải điện 66
6.1.1 Yêu cầu chung 66
6.1.2 Quá điện áp do sét đánh gây cảm ứng 67
6.1.3 Quá điện áp do sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không treo dây chống sét 69
6.1.4 Quá điện áp do sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không có treo dây chống sét .71
6.2 Trạm biến áp 74
Trang 46.2.1 Yêu cầu chung 74
6.2.2 Những dạng sóng truyền vào trạm 75
6.2.3 Các sơ đồ bảo vệ trạm 77
6.3 Máy phát điện 80
6.3.1 Đặc điểm chung 80
6.3.2 Máy phát nối với đường dây trên không qua máy biến áp 80
6.3.3 Máy phát nối trực tiếp với đường dây trên không 82
CHƯƠNG 7.CÁCH ĐIỆN DÙNG TRONG CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 86
7.1 Đặc tính cách điện dùng trong hệ thống điện 86
7.1.1 Đặc tính điện 86
7.1.2 Đặc tính cơ 87
7.1.3 Các điều kiện lựa chọn cách điện của hệ thống điện 87
7.2 Cách điện của đường dây trên không 88
7.2.1 Yêu cầu đối với cách điện đường dây 88
7.2.2 Vật liệu và kết cấu cách điện 89
7.2.3 Chuỗi cách điện 91
7.3 Cách điện trong máy biến áp 95
7.3.1 Quá trình quá độ trong cuộn dây máy biến áp 95
7.3.2 Đặc điểm của quá trình quá độ trong máy biến áp ba pha 97
7.3.3 Quá trình quá độ trong cuộn dây của máy biến áp tự ngẫu 98
7.3.4 Kết cấu cách điện trong máy biến áp 99
7.3.5 Những biện pháp cải thiện cách điện trong máy biến áp 100
7.3.6 Đặc tính điện và thí nghiệm cách điện của máy biến áp 101
7.4 Cách điện của máy điện 102
7.4.1 Yêu cầu chung 102
7.4.2 Kết cấu cách điện của máy điện 102
7.4.3 Quá trình quá độ trong cuộn dây máy điện 103
7.4.4 Thí nghiệm cách điện của máy điện 104
Trang 5CHƯƠNG 1.PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ
1.1 Đặc tính chung của các chất khí cách điện
Các chất khí chủ yếu là không khí thường được dùng làm chất cách điện của các thiết 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 pha với đấy (vỏ máy) Bởi vậy đặc tính cách điện của chất khí có ý nghĩa
quan trọng trong kỹ thuật điện cao áp.Error! Reference source not found
Khi chúng mất khả năng cách điện sẽ gây nên hiện tượng ngắn mạch và dẫn đến các sự cố trong các thiết bị và hệ thống điện Trong nội bộ các điện môi rắn và lỏng cũng 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
* Yêu cầu chung đối với các chất khí cách điện
Các chất khí chọn dùng làm chất cách điện phải đạt được các yêu cầu sau đây:
1 Phải là loại khí trơ nghĩa là không gây các phản ứng hóa học với các chất cách điện khác trong cùng kết cấu cách điện hoặc với các kim loại của thiết bị điện
2 Có cường độ cách điện cao Sử dụng các chất khí có cường độ cách điện cao sẽ giảm được kích thước của kết cấu cách điện và của thiết bị
3 Nhiệt độ hóa lỏng thấp để có thể sử dụng chúng ở trạng thái có áp suất cao Như sau này
sẽ thấy các chất khí có cường độ cách điện cao ở cả hai trạng thái hoặc áp suất nhỏ (chân không) hoặc áp suất cao Trạng thái dầu ít được dùng trong công nghiệp điện vì các chất cách điện khác khi tiếp xúc với chân không có thể sinh hơi làm tăng áp suất và do đó làm giảm cường độ cách điện, vì vậy để tăng cường độ cách điện của khí thường dùng nó ở áp suất cao
4 Phải rẻ tiền và dễ tìm kiếm
5 Tản nhiệt tốt Trong trường hợp chất khí ngoài nhiệm vụ cách điện còn có nhiệm vụ làm mát (như trong máy điện) thì còn yêu cầu phải dẫn nhiệt tốt
Không khí, loại khí thường gặp nhất, thỏa mãn được yêu cầu (4) nhưng lại không đạt yêu cầu (1) và (2), nhất là yêu cầu (1) Quá trình ion hóa trong không khí thường phát sinh các chất ozon, oxit nito, bioxit nito, chúng ăn mòn các bộ phận cách điện bằng vật liệu hữu
cơ và ăn mòn kim loại Cường độ cách điện trung bình của không khí khoảng 30kV/cm
trong khí đó cường độ cách điện của dầu biến áp rất sạch là 280kV/cm (cường độ cách điện
là đặc tính quan trọng của mọi chất cách điện, biểu thị bằng số kV trên đơn vị chiều dày mà chất cách điện có thể chịu đựng được) Như vậy cường độ cách điện của không khí chỉ
bằng khoảng 1/10 so với dầu biến áp, cho nên để tăng cường độ cách điện của nó lên ngang
Trang 6mức với các chất cách điện rắn và lỏng cần phải tăng áp suất không khí tới 10÷15 atm điều
đó sẽ làm cho kết cấu và vận hành của thiết bị càng phức tạp
1.2 Các quá trình ion hóa trong chất khí
Các chất khí không phải là các chất cách điện lý tưởng chỉ chứa những phân tử trung hòa
mà chúng còn có một số ion và điện tử tự do Ví dụ, dưới tác dụng của các yếu tố bên ngoài (tia cực ngắn của mặt trời, tia vũ trụ,…), trong 1cm3 không khí thường xảy ra mấy chục lần ion hóa trong 1 giây
Quá trình ion hóa là quá trình biến một phân tử trung hòa thành ion dương và điện tử, có nghĩa là tách điện tử ra khỏi phân tử Muốn vậy phải mất một công để thắng được lực hạt nhất, năng lượng đó gọi là năng lượng ion hóa và ký hiệu là Wi Do năng lượng tỷ lệ với hiệu số điện áp của trường mà điện tử bay qua nên năng lượng ion hóa còn có thể biểu thị bằng hiệu thế ion hóa Ui, điện tử khí bay qua trường của hiệu thế này sẽ tích lũy được năng lượng bằng năng lượng ion hóa Wi Đơn vị đo lường của năng lượng ion hóa là eV
Nếu cung cấp cho điện tử một năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa thì chưa thể tách nó
ra khỏi phân tử mà chỉ có thể đưa nó ra quỹ đạo bên ngoài có mức năng lượng cao hơn và phân tử lúc này ở trạng thái bị kích thích Nói chung các phân tử ở trạng thái bị kích thích không lâu, khoảng 10-8 giây Quá trình ion hóa và kích thích còn có thể xảy ra với các điện
tử khác trong cùng phân tử Tất nhiên đối với các điện tử này cần phải có năng lượng lớn vì chúng ở gần hạt nhân và có lực hạt nhân lớn hơn
Các ion dương gặp các điện tử hoặc ion âm có thể kết hợp lại để trở thành các phân
tử trung hòa Năng lượng dùng để ion hóa ban đầu sẽ được trả lại dưới dạng bức xạ với độ dài sóng xác định theo công thức:
hυ = Wi + ΔWk
Với: υ là tần số bức xạ, h là hằng số Planck (h = 6,5.10-29 erg.s), ΔWk là sự chênh lệch tổng năng lượng của phân tử trước và sau khi va chạm Các phân tử bị kích thích khi trở lại trạng thái bình thường cũng trả lại năng lượng dưới dạng bức xạ tương tự như trên
1.2.1 Ion hóa va chạm:
khi các phân tử đang chuyển động va chạm nhau, động năng của chúng sẽ truyền cho nhau
và do đó có thể xảy ra ion hóa nếu:
2 i
mv W
2
m là khối lượng phân tử và v là tốc độ chuyển động của phân tử
Trang 71.2.2 Ion hóa quang:
năng lượng cần thiết để ion hóa có thể lấy từ bức xạ của sóng ngắn với điều kiện:
i
i
c.h
h W hay
W
Trong đó:
λ là độ dài sóng của sóng ngắn; υ là tần số bức xạ của sóng ngắn; c là tốc độ ánh sáng
c
1.2.3 Ion hóa nhiệt:
Ở nhiệt độ cao có thể phát sinh các quá trình như sau:
- Ion hóa va chạm giữa các phân tử do các phân tử chuyển động với tốc độ lớn
- Ion hóa do bức xạ nhiệt của khí bị nung nóng
- Ion hóa va chạm giữa những phân tử và điện tử hình thành do hai quá trình trên Theo lý thuyết của khí động học thì ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng có các phân tử chuyển động với nhiều tốc độ khác nhau (định luật phân bố phân tử theo tốc độ của Maxwell – Boltzmann) cho nên ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng đều có khả năng ion hóa, khác nhau chỉ là ở xác suất nhiều hay ít W 3kT Wi
2
1.2.4 Ion hóa bề mặt:
ba dạng ion hóa trên xảy ra trong thể tích chất khí còn dạng ion hóa bề mặt thì xảy ra ngay trên bề mặt của các cực kim loại Muốn thoát điện tử ra khỏi bề mặt cực cũng cần một năng lượng nhất định, năng lượng này được gọi là công thoát Trị số công thoát phụ thuộc vào loại vật liệu làm điện cực và trạng thái bề mặt của điện cực
Có thể dùng các biện pháp sau đây:
+ Nung nóng âm cực: do cực được nung nóng, điện tử chuyển đọng nhanh hơn và
có năng lượng lớn hơn Nếu năng lượng này đạt được trị số nhất định đủ để vượt qua hàng rào thế năng thì nó sẽ thoát ra khỏi bề mặt điện cực
+ Bắn phá bề mặt âm cực bằng những phần tử có động năng lớn (bằng các ion dương có tốc độ cao)
+ Tác dụng bằng trường cực mạnh (hiện tượng này gọi là bức xạ nguội vì âm cực vẫn ở nhiệt độ bình thường) Biện pháp này ít được dùng vì yêu cầu trường phải lớn tới khoảng 1000kV/cm
Trang 81.3 Các quá trình chủ yếu của phóng điện trong chất khí
Ở nhiệt độ bình thường năng lượng của chuyện động nhiệt của các phần tử không đủ
để ion hóa, nhưng nếu có điện trường tác dụng thì các điện tích tự do có sẵn trong nội bộ chất khí sẽ chuyển động (điện tích dương chuyển động theo phương của trường, điện tích
âm theo chiều ngược lại), tích lũy năng lượng và tăng tốc độ, khi va chạm với các phân tử khí có thể khiến cho các phân tử này bị ion hóa
Ion hóa va chạm là yếu tố cơ bản của quá trình phóng điện của chất khí Hệ số ion hóa va chạm của điện tử gọi là hệ số ion hóa thứ nhất (the first Townsend ionization coefficient, α) và hệ số ion hóa va chạm của ion gọi là hệ số ion hóa thứ hai (β) Thực tế β<<α nên có thể bở qua quá trình ion hóa va chạm của ion
Để đơn giản trong tính toán trị số α, ta giả thiết:
+ không xét khả năng ion hóa từng cấp, nghĩa là ion hóa va chạm do điện tử chỉ xảy
ra khi năng lượng mà nó tích lũy được bằng hoặc lớn hơn năng lượng ion hóa của phân tử
Wi
+ điện tử sau mỗi lần va chạm (dù có hay không gây ion hóa) đều mất toàn bộ năng lượng, có nghĩa là năng lượng của nó trong lần va chạm sau chỉ được tích lũy trong quá trình chuyển động ở đoạn đường tự do trước đó
+ quỹ đạo của điện tử trùng với phương đường sức của điện trường
Khi chuyển động trong điện trường có cường độ E và nếu qua được đoạn đường x mà không bị va chạm, điện tử sẽ tích lũy được năng lượng (E.q.x) với q là điện tích của điện tử Như vậy điều kiện để điện tử có thể gây ion hóa phân tử khí là:
i
E.q.xW
Vậy độ dài đoạn đường tự do cần thiết để có ion hóa:
i i
W x E.q
Khi điện tử đi qua đoạn đường 1cm điện tử sẽ có lần va chạm với phân tử khí,
.r N r p
là đoạn đường tự do trung bình của điện tử nếu điện tử chuyển động trong môi trường của các phần tử có bán kính r và mật độ phân tử là N/cm3, p là áp suất khí Số lần va chạm với đoạn tự do lớn hơn hoặc bằng x thì:
2
.r A
k.T
; S.P xi;
B.p E
A.p.e
i
A.W B
q
q.E.
i
S.x e e
1 A.p
e
S 1/
Trang 91.4 Đặc tính Von-ampe và các dạng phóng đi ện của chất khí
Hình 1.1 Đặc tính Vôn-Ampe của chất khí
- Giai đoạn Oa: khi U tăng thì I tăng, phù hợp định luật Ohm Trong khe hở luôn tồn tại các điện tích tự do do quá trình ion hóa bên ngoài, dưới tác dụng của điện trường các điện tích tự do di chuyển hình thành dòng điện Khi u tăng thì E tăng, lúc đó vận tốc dịch chuyển tăng lên làm số điện tích đi về các cực đối diện trong 1 đơn vị thời gian tăng lên dẫn đến dòng tăng
-Giai đoạn ab: u tăng, I=const, gọi là giai đoạn bão hòa vì số điện tích tự do trong khe
hở không khí có giới hạn - Giai đoạn bc: Tại b điện áp đạt giá tri U0 U tăng thì E tăng dẫn đến số lượng điện tích tăng lên làm I tăng Khối khí bị phóng điện Nếu duy trì
nguồn thì điện áp tự động tụt đến giá trị đủ để dập tắt hồ quang
Trang 10CHƯƠNG 2.HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN SÉT VÀ QUÁ TRÌNH
TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
2.1 Khái niệm chung về hiện tượng phóng đi ện sét
2.1.1 Quá trình phóng điện sét
- Trên đám mây có các điện tích dương và điện tích âm phân bố rải đều
+ điện tích dương phân bố rải đều trên các đám mây, + điện tích âm phân bố thành đám
- Khi phóng điện thì điện tích âm trung hòa với điện tích dương và các điện tích còn lại thì phát triển xuống mặt đấy gọi là dòng tiên đạo (có vận tốc từ 1,5.107 – 2.108 cm/s)
Mặt đất đồng đều cảm ứng điện tích và dòng tiên đạo phát triển thẳng góc xuống mặt đất (do điện trở suất của mặt đất xấp xỉ nhau)
- Càng gần mặt đất thì điện trường càng tăng nên gây ra ion hóa mãnh liệt (cường độ điện trường lớn làm phát sinh điện tích dương và điện tích âm và tập trung gọi là thác điện tử)
Dòng ngược có vận tốc lớn 1,5.109
– 1,5.1010 cm/s = (0,05 – 0,5)vánh sáng gây ra sét Khoảng cách phóng điện có thể kéo dài 5 km
Dòng điện sét:
Trong đó: ζ – mật độ điện tích của tia tiên đạo
V – vận tốc phóng điện ngược
Z0 – tổng trở sóng của khe sét (cỡ 200 Ω)
R – điện trở của đất tại chỗ sét đánh Nếu sét đánh vào chỗ đánh tốt thì R << Z0 và:
is = ζ.v
2.1.2 Tham số của dòng điện sét
2.1.2.1 Dạng sóng sét
a, Dạng tổng quát
ηđs là dòng điện sóng đi từ 0 đến Imax
ηs là dòng điện sóng đi từ 0 đến Imax đến 0,5.Imax
ds S
s s