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 CHƢƠNG 1.PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 1.1 Đặc tính chung chất khí cách điện 1.2 Các q trình ion hóa chất khí 1.2.1 Ion hóa va chạm: 1.2.2 Ion hóa quang: 1.2.3 Ion hóa nhiệt: 1.2.4 Ion hóa bề mặt: 1.3 Các trình chủ yếu phóng điện chất khí 1.4 Đặc tính Von-ampe dạng phóng điện chất khí CHƢƠNG 2.HIỆN TƢỢNG PHÓNG ĐIỆN SÉT VÀ Q TRÌNH TRUYỀN SĨNG TRÊN ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 2.1 Khái niệm chung tƣợng phóng điện sét 2.1.1 Q trình phóng điện sét 2.1.2 Tham số dòng điện sét 2.1.3 Cƣờng độ hoạt động 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 đặc tính Vơn-giây 17 2.3 Phóng điện vầng quang 17 2.3.1 Phóng điện vầng quang đƣờng dây dẫn điện chiều 19 2.3.2 Phóng điện vầng quang đƣờng dây dẫn điện xoay chiều 20 2.3.3 Các phƣơng pháp giảm tổn hao vầng quang 25 2.4 Truyền sóng đƣờng dây tải điện 27 2.4.1 Phƣơng trình truyền sóng đƣờng dây tải điện 27 2.4.2 Truyền sóng hệ thống nhiều đƣờng dây 29 2.4.3 Phản xạ khúc xạ 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 Mơ hình phạm vi bảo vệ 41 3.2.1 Phƣơng pháp xác định phạm vi bảo vệ cột thu lôi thực nghiệm 41 Page Kĩ thuật cao áp 3.3 Bảo vệ cột thu sét 42 3.3.1 Phạm vi bảo vệ cột thu sét .42 3.3.2 Phạm vi bảo vệ hai cột thu sét 43 3.3.3 Phạm vi bảo vệ nhiều cột thu sét 45 3.4 Bảo vệ dây thu sét 45 3.5 Khoảng cách an tồn khơng khí đất lƣới điện phân phối 46 3.5.1 Để không xảy phóng điện khơng khí thì: 47 3.5.2 Để khơng xảy phóng điện hai hệ thống nối đất thì: 47 CHƢƠNG 4.THIẾT BỊ CHỐNG SÉT .49 4.1.Yêu cầu 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 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 tốn nối đất chống sét 61 5.3.1 Điện trở tản xung kích nối đất tập trung 61 5.3.2 Nối đất phân bố dài 61 5.4 Lựa chọn 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 sét đánh gây cảm ứng 67 6.1.3 Quá điện áp sét đánh trực tiếp vào đƣờng dây không treo dây chống sét 69 6.1.4 Quá điện áp sét đánh trực tiếp vào đƣờng dây khơng có treo dây chống sét 71 6.2 Trạm biến áp 74 Page 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 không qua máy biến áp 80 6.3.3 Máy phát nối trực tiếp với đƣờng dây không 82 CHƢƠNG 7.CÁCH ĐIỆN DÙNG TRONG CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 86 7.1 Đặc tính cách điện dùng hệ thống điện 86 7.1.1 Đặc tính điện 86 7.1.2 Đặc tính 87 7.1.3 Các điều kiện lựa chọn cách điện hệ thống điện 87 7.2 Cách điện đƣờng dây không 88 7.2.1 Yêu cầu cách điện đƣờng dây 88 7.2.2 Vật liệu kết cấu cách điện 89 7.2.3 Chuỗi cách điện 91 7.3 Cách điện máy biến áp 95 7.3.1 Quá trình độ cuộn dây máy biến áp 95 7.3.2 Đặc điểm trình độ máy biến áp ba pha 97 7.3.3 Quá trình độ cuộn dây máy biến áp tự ngẫu 98 7.3.4 Kết cấu cách điện máy biến áp 99 7.3.5 Những biện pháp cải thiện cách điện máy biến áp 100 7.3.6 Đặc tính điện thí nghiệm cách điện máy biến áp 101 7.4 Cách điện máy điện 102 7.4.1 Yêu cầu chung 102 7.4.2 Kết cấu cách điện máy điện 102 7.4.3 Quá trình độ cuộn dây máy điện 103 7.4.4 Thí nghiệm cách điện máy điện 104 Page Kĩ thuật cao áp CHƢƠNG 1.PHĨNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 1.1 Đặc tính chung chất khí cách điện Các chất khí chủ yếu khơng khí thƣờng đƣợc dùng làm chất cách điện thiết điện làm việc khơng khí đƣờng dây tải điện khơng Khơng khí phối hợp với điện môi khác đơn độc làm nhiệm vụ cách điện pha pha với (vỏ máy) Bởi đặc tính cách điện chất khí có ý nghĩa quan trọng kỹ thuật điện cao áp.Error! Reference source not found Khi chúng khả cách điện gây nên tƣợng ngắn mạch dẫn đến cố thiết bị hệ thống điện Trong nội điện môi rắn lỏng thƣờng tồn bọt khí, điểm cách điện suy yếu cách điện điện môi bị hƣ hỏng thƣờng bắt nguồn từ q trình phóng điện bọt khí * Yêu cầu chung chất khí cách điện Các chất khí chọn dùng làm chất cách điện phải đạt đƣợc yêu cầu sau đây: Phải loại khí trơ nghĩa khơng gây phản ứng hóa học với chất cách điện khác kết cấu cách điện với kim loại thiết bị điện Có cƣờng độ cách điện cao Sử dụng chất khí có cƣờng độ cách điện cao giảm đƣợc kích thƣớc kết cấu cách điện thiết bị Nhiệt độ hóa lỏng thấp để sử dụng chúng trạng thái có áp suất cao Nhƣ sau thấy chất khí có cƣờng độ cách điện cao hai trạng thái áp suất nhỏ (chân không) áp suất cao Trạng thái dầu đƣợc dùng cơng nghiệp điện chất cách điện khác tiếp xúc với chân khơng sinh làm tăng áp suất làm giảm cƣờng độ cách điện, để tăng cƣờng độ cách điện khí thƣờng dùng áp suất cao Phải rẻ tiền dễ tìm kiếm Tản nhiệt tốt Trong trƣờng hợp chất khí ngồi nhiệm vụ cách điện cịn có nhiệm vụ làm mát (nhƣ máy điện) cịn u cầu phải dẫn nhiệt tốt Khơng khí, loại khí thƣờng gặp nhất, thỏa mãn đƣợc yêu cầu (4) nhƣng lại không đạt yêu cầu (1) (2), u cầu (1) Q trình ion hóa khơng khí thƣờng phát sinh chất ozon, oxit nito, bioxit nito, chúng ăn mòn phận cách điện vật liệu hữu ăn mòn kim loại Cƣờng độ cách điện trung bình khơng khí khoảng 30kV/cm khí cƣờng độ cách điện dầu biến áp 280kV/cm (cường độ cách điện đặc tính quan trọng chất cách điện, biểu thị số kV đơn vị chiều dày mà chất cách điện chịu đựng được) Nhƣ cƣờng độ cách điện khơng khí khoảng 1/10 so với dầu biến áp, để tăng cƣờng độ cách điện lên ngang Page Kĩ thuật cao áp mức với chất cách điện rắn lỏng cần phải tăng áp suất khơng khí tới 10÷15 atm điều làm cho kết cấu vận hành thiết bị phức tạp 1.2 Các q trình ion hóa chất khí Các chất khí khơng phải chất cách điện lý tƣởng chứa phân tử trung hòa mà chúng cịn có số ion điện tử tự Ví dụ, dƣới tác dụng yếu tố bên (tia cực ngắn mặt trời, tia vũ trụ,…), 1cm3 khơng khí thƣờng xảy chục lần ion hóa giây Q trình ion hóa q trình biến phân tử trung hịa thành ion dƣơng điện tử, có nghĩa tách điện tử khỏi phân tử Muốn phải cơng để thắng đƣợc lực hạt nhất, lƣợng gọi lƣợng ion hóa ký hiệu Wi Do lƣợng tỷ lệ với hiệu số điện áp trƣờng mà điện tử bay qua nên lƣợng ion hóa cịn biểu thị hiệu ion hóa Ui, điện tử khí bay qua trƣờng hiệu tích lũy đƣợc lƣợng lƣợng ion hóa Wi Đơn vị đo lƣờng lƣợng ion hóa eV Nếu cung cấp cho điện tử lƣợng nhỏ lƣợng ion hóa chƣa thể tách khỏi phân tử mà đƣa quỹ đạo bên ngồi có mức lƣợng cao phân tử lúc trạng thái bị kích thích Nói chung phân tử trạng thái bị kích thích khơng lâu, khoảng 10 -8 giây Q trình ion hóa kích thích cịn xảy với điện tử khác phân tử Tất nhiên điện tử cần phải có lƣợng lớn chúng gần hạt nhân có lực hạt nhân lớn Các ion dƣơng gặp điện tử ion âm kết hợp lại để trở thành phân tử trung hòa Năng lƣợng dùng để ion hóa ban đầu đƣợc trả lại dƣới dạng xạ với độ dài sóng xác định theo công thức: hυ = Wi + ΔWk Với: υ tần số xạ, h số Planck (h = 6,5.10 -29 erg.s), ΔWk chênh lệch tổng lƣợng phân tử trƣớc sau va chạm Các phân tử bị kích thích trở lại trạng thái bình thƣờng trả lại lƣợng dƣới dạng xạ tƣơng tự nhƣ 1.2.1 Ion hóa va chạm: phân tử chuyển động va chạm nhau, động chúng truyền cho xảy ion hóa nếu: mv  Wi m khối lƣợng phân tử v tốc độ chuyển động phân tử Page Kĩ thuật cao áp 1.2.2 Ion hóa quang: lƣợng cần thiết để ion hóa lấy từ xạ sóng ngắn với điều kiện: h  Wi hay   c.h Wi Trong đó: λ độ dài sóng sóng ngắn; υ tần số xạ sóng ngắn; c tốc độ ánh sáng  c  1.2.3 Ion hóa nhiệt: Ở nhiệt độ cao phát sinh trình nhƣ sau: - Ion hóa va chạm phân tử phân tử chuyển động với tốc độ lớn - Ion hóa xạ nhiệt khí bị nung nóng - Ion hóa va chạm phân tử điện tử hình thành hai q trình Theo lý thuyết khí động học nhiệt độ có phân tử chuyển động với nhiều tốc độ khác (định luật phân bố phân tử theo tốc độ Maxwell – Boltzmann) nhiệt độ có khả ion hóa, khác xác suất nhiều hay W  kT  Wi 1.2.4 Ion hóa bề mặt: ba dạng ion hóa xảy thể tích chất khí cịn dạng ion hóa bề mặt xảy bề mặt cực kim loại Muốn thoát điện tử khỏi bề mặt cực cần lƣợng định, lƣợng đƣợc gọi cơng Trị số cơng phụ thuộc vào loại vật liệu làm điện cực trạng thái bề mặt điện cực Có thể dùng biện pháp sau đây: + Nung nóng âm cực: cực đƣợc nung nóng, điện tử chuyển đọng nhanh có lƣợng lớn Nếu lƣợng đạt đƣợc trị số định đủ để vƣợt qua hàng rào khỏi bề mặt điện cực + Bắn phá bề mặt âm cực phần tử có động lớn (bằng ion dƣơng có tốc độ cao) + Tác dụng trƣờng cực mạnh (hiện tƣợng gọi xạ nguội âm cực nhiệt độ bình thƣờng) Biện pháp đƣợc dùng u cầu trƣờng phải lớn tới khoảng 1000kV/cm Page Kĩ thuật cao áp 1.3 Các q trình chủ yếu phóng điện chất khí Ở nhiệt độ bình thƣờng lƣợng chuyện động nhiệt phần tử không đủ để ion hóa, nhƣng có điện trƣờng tác dụng điện tích tự có sẵn nội chất khí chuyển động (điện tích dƣơng chuyển động theo phƣơng trƣờng, điện tích âm theo chiều ngƣợc lại), tích lũy lƣợng tăng tốc độ, va chạm với phân tử khí khiến cho phân tử bị ion hóa Ion hóa va chạm yếu tố trình phóng điện chất khí Hệ số ion hóa va chạm điện tử gọi hệ số ion hóa thứ (the first Townsend ionization coefficient, α) hệ số ion hóa va chạm ion gọi hệ số ion hóa thứ hai (β) Thực tế β