Xem mẫu
TRƯỜNG 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
(Tài liệu lưu hành nội bộ)
Kĩ thuật cao áp
MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 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
CHƢƠNG 2.HIỆN TƢỢNG PHÓNG ĐIỆN SÉT VÀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN
ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN .......................................................................................................... 9
2.1 Khái niệm chung về hiện tƣợng 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 Cƣờng 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 đƣờng dây dẫn điện một chiều .................................. 19
2.3.2 Phóng điện vầng quang trên đƣờng dây dẫn điện xoay chiều ................................. 20
2.3.3 Các phƣơng pháp giảm tổn hao vầng quang............................................................ 25
2.4. Truyền sóng trên đƣờng dây tải điện ............................................................................. 27
2.4.1. Phƣơng trình truyền sóng trên đƣờng dây tải điện ................................................. 27
2.4.2 Truyền sóng trên hệ thống nhiều đƣờng 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
CHƢƠNG 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. Phƣơng pháp xác định phạm vi bảo vệ của cột thu lôi bằng thực nghiệm ............. 41
Page 1
Kĩ thuật cao áp
3.3. 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 lƣới 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
CHƢƠNG 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
CHƢƠNG 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 phƣơng án nối đất hợp lý .........................................................................63
5.4.1. Nối đất an toàn ........................................................................................................63
5.4.2 Nối đất chống sét......................................................................................................64
CHƢƠNG 6.BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ...66
6.1. Đƣờng 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 đƣờng dây trên không treo dây chống sét ...69
6.1.4 Quá điện áp do sét đánh trực tiếp vào đƣờng dây trên không có treo dây chống sét
...........................................................................................................................................71
6.2 Trạm biến áp ...................................................................................................................74
Page 2
Kĩ thuật cao áp
6.2.1 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 đƣờng dây trên không qua máy biến áp ...................................... 80
6.3.3 Máy phát nối trực tiếp với đƣờng dây trên không ................................................... 82
CHƢƠNG 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 đƣờng dây trên không ............................................................................. 88
7.2.1 Yêu cầu đối với cách điện đƣờng 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
Page 3
Kĩ thuật cao áp
CHƢƠNG 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 thƣờng đƣợc dùng làm chất cách điện của các thiết điện
làm việc trong không khí và của đƣờng 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 tƣợng 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 thƣờng tồn
tại các bọt khí, đó là các điểm cách điện suy yếu vì cách điện của các điện môi này bị hƣ
hỏng thƣờng 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 đƣợc 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 cƣờng độ cách điện cao. Sử dụng các chất khí có cƣờng độ cách điện cao sẽ giảm
đƣợc kích thƣớc 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. Nhƣ sau này
sẽ thấy các chất khí có cƣờng độ cách điện cao ở cả hai trạng thái hoặc áp suất nhỏ (chân
không) hoặc áp suất cao. Trạng thái dầu ít đƣợc 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 cƣờng độ cách điện, vì vậy để tăng cƣờng độ cách điện của khí thƣờng dùng nó ở áp
suất cao.
4. Phải rẻ tiền và dễ tìm kiếm
5. Tản nhiệt tốt. Trong trƣờng hợp chất khí ngoài nhiệm vụ cách điện còn có nhiệm vụ làm
mát (nhƣ trong máy điện) thì còn yêu cầu phải dẫn nhiệt tốt.
Không khí, loại khí thƣờng gặp nhất, thỏa mãn đƣợc yêu cầu (4) nhƣng lại không đạt
yêu cầu (1) và (2), nhất là yêu cầu (1). Quá trình ion hóa trong không khí thƣờng 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. Cƣờng độ cách điện trung bình của không khí khoảng 30kV/cm
trong khí đó cƣờng 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). Nhƣ vậy cƣờng độ cách điện của không khí chỉ
bằng khoảng 1/10 so với dầu biến áp, cho nên để tăng cƣờng độ cách điện của nó lên ngang
Page 4
nguon tai.lieu . vn
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT CAO ÁP
(CAO ĐẲNG CHÍNH QUY)
Hưng Yên 2015
(Tài liệu lưu hành nội bộ)
Kĩ thuật cao áp
MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 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
CHƢƠNG 2.HIỆN TƢỢNG PHÓNG ĐIỆN SÉT VÀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN
ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN .......................................................................................................... 9
2.1 Khái niệm chung về hiện tƣợng 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 Cƣờng 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 đƣờng dây dẫn điện một chiều .................................. 19
2.3.2 Phóng điện vầng quang trên đƣờng dây dẫn điện xoay chiều ................................. 20
2.3.3 Các phƣơng pháp giảm tổn hao vầng quang............................................................ 25
2.4. Truyền sóng trên đƣờng dây tải điện ............................................................................. 27
2.4.1. Phƣơng trình truyền sóng trên đƣờng dây tải điện ................................................. 27
2.4.2 Truyền sóng trên hệ thống nhiều đƣờng 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
CHƢƠNG 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. Phƣơng pháp xác định phạm vi bảo vệ của cột thu lôi bằng thực nghiệm ............. 41
Page 1
Kĩ thuật cao áp
3.3. 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 lƣới 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
CHƢƠNG 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
CHƢƠNG 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 phƣơng án nối đất hợp lý .........................................................................63
5.4.1. Nối đất an toàn ........................................................................................................63
5.4.2 Nối đất chống sét......................................................................................................64
CHƢƠNG 6.BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ...66
6.1. Đƣờng 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 đƣờng dây trên không treo dây chống sét ...69
6.1.4 Quá điện áp do sét đánh trực tiếp vào đƣờng dây trên không có treo dây chống sét
...........................................................................................................................................71
6.2 Trạm biến áp ...................................................................................................................74
Page 2
Kĩ thuật cao áp
6.2.1 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 đƣờng dây trên không qua máy biến áp ...................................... 80
6.3.3 Máy phát nối trực tiếp với đƣờng dây trên không ................................................... 82
CHƢƠNG 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 đƣờng dây trên không ............................................................................. 88
7.2.1 Yêu cầu đối với cách điện đƣờng 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
Page 3
Kĩ thuật cao áp
CHƢƠNG 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 thƣờng đƣợc dùng làm chất cách điện của các thiết điện
làm việc trong không khí và của đƣờng 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 tƣợng 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 thƣờng tồn
tại các bọt khí, đó là các điểm cách điện suy yếu vì cách điện của các điện môi này bị hƣ
hỏng thƣờng 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 đƣợc 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 cƣờng độ cách điện cao. Sử dụng các chất khí có cƣờng độ cách điện cao sẽ giảm
đƣợc kích thƣớc 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. Nhƣ sau này
sẽ thấy các chất khí có cƣờng độ cách điện cao ở cả hai trạng thái hoặc áp suất nhỏ (chân
không) hoặc áp suất cao. Trạng thái dầu ít đƣợc 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 cƣờng độ cách điện, vì vậy để tăng cƣờng độ cách điện của khí thƣờng dùng nó ở áp
suất cao.
4. Phải rẻ tiền và dễ tìm kiếm
5. Tản nhiệt tốt. Trong trƣờng hợp chất khí ngoài nhiệm vụ cách điện còn có nhiệm vụ làm
mát (nhƣ trong máy điện) thì còn yêu cầu phải dẫn nhiệt tốt.
Không khí, loại khí thƣờng gặp nhất, thỏa mãn đƣợc yêu cầu (4) nhƣng lại không đạt
yêu cầu (1) và (2), nhất là yêu cầu (1). Quá trình ion hóa trong không khí thƣờng 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. Cƣờng độ cách điện trung bình của không khí khoảng 30kV/cm
trong khí đó cƣờng 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). Nhƣ vậy cƣờng độ cách điện của không khí chỉ
bằng khoảng 1/10 so với dầu biến áp, cho nên để tăng cƣờng độ cách điện của nó lên ngang
Page 4