Kỹ thuật cao áp - Chương 12 pps

Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn Chơng XII Cách điện của đờng dây trên không Đ 12-1. Yêu cầu chung đối với Cách điện đờng dây trên không. Các dây dẫn của đờng dây trên không phải cách điện với nhau (cách điện giữa các pha) và cách điện đối với đất(cách điện giữa các pha với đất). Để thực hiện sự cách điện đó, dây dẫn đợc đặt hoặc treo trên cột bằng cách điện sứ hoặc thuỷ tinh còn ở trong khoảng vợt sẽ dựa vào cách điện của không khí. Khi xuất hiện quá điện áp khí quyển hoặc quá điện áp nội bộ, các phóng điện trên cách điện của đờng dây sẽ dẫn đến các sự cố ngắn mạch. ở cột điện, các phóng điện này thờng xảy ra men theo bề mặt của cách điện hoặc chọc thủng khoảng không khi giữa dây dẫn tới các bộ phận kim loại của cột . Hình 9-1a, 9-1b cho ví dụ về các khả năng phóng điện khi đờng dây dùng cột sắt và cột bê tông: đờng mk - phóng điện theo bề mặt cách điện, đờng mm hoặc m - phóng điện chọc thủng không khí. Hình 9-1c ứng với đờng dây cột xà gỗ, ở đây có thể xuất hiện các khả năng phóng điện giữa pha - pha (đờng mk - km) hoặc phóng điện giữa pha - đất (đờng nns). ở trong khoảng vợt phóng điện xảy ra dới hình thức phóng điện chọc thủng khoảng không khí giữa các pha hoặc giữa pha với đất (dây chống sét). Để hạn chế hoặc loại trừ các phóng điện nói trên cần phải nâng cao mức cách điện của đờng dây nh tăng thêm số cách điện trong chuỗi hoặc tăng khoảng cách không khí. Tuy nhiên việc tăng cờng cách điện sẽ làm tăng giá thành xây dựng đờng dây do phải tăng kích thớc cột và tăng số Hình 9-1 Các khả năng phóng điện trên cột điện a)Cột sắt; b) Cột bê tông; c) Cột gỗ không có dây chống sét Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn cách điện trong chuỗi. Hiện nay ngoài biện pháp tăng cờng cách điện còn có các biện pháp khác nh dùng các thiết bị số quá điện áp khí quyển hoặc các thiết bị tự động (cuộn dập hồ quang, thiết bị tự động đóng lại TĐL ) có khả năng loại trừ sự cố nhanh chóng, đảm bảo cung cấp điện liên tục. Trong việc chọn cách điện của đờng dây trên không, thờng xuất phát từ các yêu cầu sau đây: 1. Cách điện của đờng dây phải chịu đợc tác dụng của đa số các loại quá điện áp nội bộ, trừ một vài loại có biên độ quá lớn nhng xác suất xuất hiện bé. 2. Đối với yêu cầu của quá điện áp khí quyển, phải giải quyết sao cho đợc hợp lý về kinh tế kỹ thuật. ở các đờng dây 110 kV trở lên yêu cầu này đợc thoả mãn dễ dàng vì cách điện đờng dây khi chọn theo yêu cầu của quá điện áp nội bộ đã có đợc mức cách điện xung kích rất cao, chỉ cần có các biện pháp bảo vệ chống sét tơng đối đơn giản là đủ đảm bảo cho đờng dây có mức chịu sét cao. Ngợc lại với đờng dây 3 kV và điện áp thấp hơn, để thoả mãn yêu cầu của quá điện áp khí quyển cách điện phải tăng rất cao và nh vậy sẽ rất tốn kém. Bởi vậy cách điện đờng dây chỉ cần chọn tới mức cần thiết hợp lý kết hợp với một số biện pháp khác để hạn chế số lần sự cố gây nên nh cải thiện nối đất cột điện, dùng cuộn dập hồ quang v.v Cách điện của đờng dây trên không ngoài các cách điện thể rắn (sứ, thuỷ tinh) còn dùng cách điện không khí của của gỗ. Cờng độ cách điện xung kích của gỗ rất tản mạn, phụ thuộc vào tình hình ẩm của gỗ và các yếu tố có liên quan đến sự bố trí và kích thớc của nó trong cách điện tổ hợp( cách điện gỗ phối hợp với cách điện thể rắn). Trong tính toán thiết kế có thể lấy trị số gần đúng k hoảng 100kV/m (điện áp phóng điện xung kích bé nhất U 05% ). Nh trên hình 9-1c, có thể tính đợc mức cách điện theo đờng mk - mk : UU l kV ch kk50% 50% 2 100 2 645 100 4 1690= + = + = . . trong đó UkV ch.50% 645= là điện áp phóng điện xung kích 50 % của chuỗi gồm 7 sứ treo II - 4,5. lm kk = 4 chiều dài của đoạn xà gỗ k - k. Và theo đờng nns: UU l kV nn kk50% 50% 100 720 10011 2 1840= + = + = . ., . UkV ch.50% 720= là điện áp phóng điện xung kích 50 % của khoảng cách không khí n - n dài 115cm. lcm ns = 11 2, là độ dài đoạn ns của thân cột gỗ. Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn Đ 12-3. Nghiên cứu về chuỗi cách điện. Cách điện của đờng dây 35 kV quan trọng và của các dây điện áp cao hơn thờng đợc thực hiện bằng chuỗi gồm nhiều đĩa cách điện , số đĩa nhiều hay ít tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng cấp điện áp. Dọc theo đờng dây, ở các cột trung gian chuỗi cách điện đặt theo đờng thẳng đứng còn ở các cột néo nó đợc đặt hầu nh nằm ngang và chịu lực căng của dây dẫn. Vì độ bền cơ giới của từng đĩa nên trong trờng hợp không đạt yêu cầu ( về độ bền cơ giới) phải giải quyết bằng cách dùng nhiều chuỗi ghép song song. Về điện áp phóng điện, không thể tính toán đơn giản bằng cách lấy điện áp phóng điện của từng đĩa đem nhân với số đĩa trong chuỗi mà cần phải xét đến sự phân bố điện áp và đặc điểm của quá trình phóng điện dọc theo chuỗi. Quá trình này có thể phát triển theo một trong ba đờng (hình 9-7). Hoàn toàn dọc theo bề mặt cách điện tức là theo đờng CBA hoặcCBA1. Theo đờng CBD với chiều dài phóng điện nl p ( n là số đĩa trong chuỗi). Theo hớng ngắn nhất EF mà chiều dài của nó gần bằng trị số L = nH. Cờng độ cách điện theo đờng EF thực tế bằng cờng độ cách điện của khe hở khi giữa 2 điện cực " thanh - thanh", do đó thờng có trị số cao hơn so với cờng độ cách điện dài hơn nhng do có một phần đi men theo mặt ngoài của điện môi nên điện áp phóng điện bé). Đó cũng là giới hạn trên của trị số điện áp phóng điện của chuỗi và suy ra biện pháp nâng cao điện áp là phải tăng tỷ số lp/H sao cho cờng độ cách điện theo đờng CBD đạt đợc mức của đờng EF. Thực nghiệm cho thấy khi tỷ số lp/H bằng khoảng 1,3 thì có thể đạt đợc yêu cầu trên và trong sản xuất, tỷ số này thờng chọn trong giới hạn 1,15 ữ 1,35. Hình 9-7 Phóng điện dọc theo chuỗi cách điện L H E C A D D 1 C 1 D F B L P L P Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn Sự phân bố điện áp trên các đĩa của chuỗi cách điện cũng ảnh hởng đến trị số điện áp phóng điện. Hình 9-8 cho sơ đồ thay thế của chuỗi. C điện dung của từng đĩa cách điện, có trị số 50 ữ 70 F ( 10 -6 F ) CC 12 , điện dung của từng đĩa cách điện đối với đất và dây dẫn, trị số của chúng phụ thuộc vào vị trí của từng đĩa trong chuỗi, có thể lấy trung bình khoảng. ,F54C 1 ữ ,F15,0C 1 ữ F ( 10 -6 F ) Sự tồn tại của các điện dung ký sinh làm cho phân bố điện áp trên các phần tử của chuỗi không đồng đều. Có thể tính toán sự phân bố điện áp này giả thiết là các trị số C, C 1 , C 2 không đổi dọc theo chuỗi cách điện và đợc thay thế bằng các tham số phân bố sau đây: CC H ',= C C H ' 1 1 = , C C H ' 2 2 = trong đó H độ cao của đĩa cách điện. Phơng trình điện áp và dòng điện tại điểm trên chuỗi cách điện cách xà nối đất khoảng cách x đợc viết : dU dx j C x = 1 ' (9-1) () dl dx Uj C U Uj C xx =+ '' 12 (9-2) Từ các phơng trình trên suy ra: ( ) dU dx j C dl dx UC C C U C C x x 2 2 12 2 1 == + ' '' ' ' ' và đợc nghiệm của nó. UAe Ae B x ax ax =+ + 12 11 với trị số a CC C 1 12 = +'' ' Từ điều kiện ban đầu: x = 0 U x = 0 x L = UU x = Hình 9-8 Sơ đồ thay thế của chuỗi cách điện. C 1 C 1 C 1 C 1 C 1 C C C C C C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 L H x U Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn sẽ tìm đợc các hằng số A 1 , A 2 và B: ( ) () Lsha'C'C2 e'C'UC A 121 L 1 a 21 1 + + = ( ) () Lsha'C'C2 e'C'CU A 121 L 1 a 21 21 + + = BU C CC = + ' '' 2 12 Thay vào phơng trình sẽ đợc điện áp tại các điểm (trên chuỗi cách điện): ( ) + + = Lsha xLcha 'C Lsha xsha 'C'C 'C'C U U 1 1 2 1 1 11 21 x (9-3) Thay thế các trị số: Ln H = a CC C aH= + = 12 1 vào (9-3) sẽ đợc phơng trình của U x theo các tham số tập trung ban đầu và từ đó suy ra đợc các kết quả sau đây: Tỷ lệ phân bố điện áp trên từng đĩa cách điện, ví dụ ở đĩa thứ k (tính từ đầu nối đất): Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn () () [] { U U C C shan Cshak shak k = + 100% 100 1 12 1 () ( ) [] } +Cshan k shan k 2 1 (9-4) Quan hệ này đợc biểu thị trên hình 9-9 (đờng 4) ứng với chuỗi cách điện gồm 10 đĩa sứ H-15. Các đĩa chịu sự phân bố điện áp không đồng đều, sứ ở gần dây dẫn phải chịu phần điện áp lớn nhất tới 21% điện áp tác dụng trên cả chuỗi nghĩa là gấp đôi so với khi điện áp phân bố đều. Trị số điện áp trên từng đĩa đợc biểu thị bởi phơng trình của dU dx x và nơi mà điện áp phân bố ít nhất sẽ đợc tính toán theo điều kiện: dU dx x 2 2 0= Hình 9-9 Phân bố điện áp dọc theo chuỗi 10 sứ - 4,5 khi dùng các loại đai bảo vệ. 1. Đai kiểu mạch vòng; 2. Đai hính số 8 3. Đai kiểu sừng; 4. Không có đai bảo vệ 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn Từ đó tính đợc : x a In A A = 1 2 1 2 1 (9-5) ứng với đĩa cách điện thứ k min : k a In Ce C Ce C an an min = + + 1 2 21 21 (9-6) Sự phân bố điện áp không đều có thể dẫn đến việc phát sinh vầng quang ở các đĩa cách điện gần dây dẫn ngay cả khi với điện áp làm việc, gây nhiễu loạn vô tuyến điện và ăn mòn các bộ phận kim loại. Cách điện gần dây dẫn nhất thờng chịu điện áp giáng khoảng 20% điện áp toàn bộ, nh vậy đối với đờng dây 150 kV và điện áp cao hơn thì nó phải chịu điện áp khoảng 20 ữ 25kV trở lên, điện áp này đủ lớn để phát sinh vầng quang. Trong các trờng hợp đó phải tiến hành các biện pháp nhằm cải thiện sự phân bố điện áp trên chuôĩ cách điện. c d e f g c d e f g C 1 C 1 C 1 C 1 C C C C C C 2 C 2 C 2 C 2 i 1 i 2 i 3 i 4 i 5 i 1 i 2 i 3 i 4 i 5 1 U 2 U 3 U 4 U 5 U Dây dẫn Dây dẫn 0 1 2 3 4 5 1 U 2 U 3 U 4 U 5 U C 1 #0 C 2 #0 C 2 #0 C 1 #0 C 1 =C 2 100% Dây dẫn a) b) c) Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn Hình 9-10 Phân bố điện áp trên chuỗi gồm 5 cách điện treo Hình a ảnh hởng của điện dung C 1 iiiii 54321 >>>> UUUUU 54321 >>>> Hình b ảnh hởng của điện dung C 2 iiiii 54321 < < < < UUUUU 54321 < < < < Từ sơ đồ thay thế trên hình 9-8 cho thấy, nguyên nhân làm cho điện áp phân bố không đều là do sự tồn tại của các điện dung ký sinh C 1 , C 2 . Chúng có ảnh hởng ngợc nhau đối với sự phân bố điện áp; nếu chỉ xét tác dụng của C 1 thì điện áp giáng trên đĩa cách điện càng ở xa dây dẫn càng bé đi, ngợc lại nếu chỉ xét riêng tác dụng của C 2 thì điện áp giáng lại có chiều hớng tăng khi cách điện ở xa dây dẫn (hình 9-10). Bởi vậy biện pháp cải thiện sự phân bố điện áp chủ yếu là làm tăng điện dung của đĩa cách điện đối với dây dẫn. Khi đờng dây dùng dây phân nhỏ (xem chơng VII), ngoài tác dụng giảm tổn hao vầng quang dây phân nhỏ còn có tác dụng làm tăng điện dung ký sinh của cách điện đối với dây dẫn khiến cho điện áp phân bố đều hơn và do đó không cần có các biện pháp khác. Đai bảo vệ cũng có tác dụng tơng tự nh trên . Hình 9-9 cho các loại đai bảo vệ khác nhau và tác dụng của chúng đối với việc cải thiện phân bố điện áp của chuỗi cách điện. Sự phân bố điện áp nh trên là xét trong trờng hợp mặt ngoài của chuỗi cách điện sạch và khô ráo. Khi bị ma ớt và cả khi bề mặt cách điện bị bam sbụi thì phân bố điện áp chủ yếu là do điện dẫn bề mặt và do đó đợc đều hơn nhiều. Điện áp phóng điện ớt của cả chuỗi cách điện hầu nh tỷ lệ với số đĩa và đợc tính toán theo công thức: UnEH uu = . (9-7) Trong đó : n số đĩa cách điện trong chuỗi. Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn E u cờng độ điện trờng phóng điện (mặt ngoài) trung bình, đối với các loại cách điện -4,5 ; -7; -8,5 bằng khoảng 2,15 kV/cm còn đối với loại M-4,5 thì bằng khoảng 2,70 kV/cm. H độ cao của đĩa cách điện, cm. Đ 12-4. Tính toán chọn cách điện của đờng dây trên không. Phần trớc đã trình bày các nguyên tắc cơ bản để chọn cách điện của đờng dây trên không. Nói chung cách điện đợc chọn theo yêu cầu của quá điện áp nội bộ còn đối với yêu cầu của quá điện áp khí quyển thì đợc giải quyết sao cho hợp lý về kinh tế kỹ thuật. Nh vậy trớc hết cách điện phải đảm bảo có trị số điện áp phóng điện ớt cao hơn mức quá điện áp nội bộ tính toán nghĩa là: UU tr qanb hoặc viết UKU tr qanh = . với K > 1 Hệ số K > 1 là do chú ý đến khả năng lúc phát sinh quá điện áp nội bộ trị số điện áp nguồn tăng cao ( theo yêu cầu của điều chỉnh điện áp, khi có quá tải diện áp nguồn có thể tăng 15% so với định mức); khả năng làm giảm điện áp phóng điện do điều kiện khí hậu (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm) không phù hợp; Sự khác nhau giữa điều kiện thí nghiệm và vận hành thực tế; do xét đến dự trữ an toàn và các yếu tố khác Trong tính toán chọn cách điện thờng lấy hệ số K = 1,1, nh vậy số đĩa trong chuỗi sẽ đợc tính theo công thức (đối với các đờng dây 35 kV trở lên cột sắt hoặc cột bê tông): n U EH qanb tr 11, . (9-8) Số lợng đĩa cách điện thực tế sẽ dựa vào kết quả tính toán của (9-8) cộng thêm một với giả thiết rằng trong vận hành có thể có một đĩa cách điện nào đó bị h hỏng. Đối với chuỗi cách điện ở các cột néo do cách điện phải làm việc dới tải trọng, cơ giới lán nên số lợng đĩa còn đợc tăng thêm một cho các đờng dây 35 ữ150kV và tăng thêm hai cho các đờng dây 220kV trở lên. Khi đờng dây dùng cột xà gỗ, số lợng cách điện trong chuỗi đợc giảm đo một so với đờng dây cột sắt hoặc bêtông. ở mỗi cột ngoài cách điện thể rắn còn có cách điện khí ( không khí), do đó cần phải xác định khoảng cách không khí tối thiểu từ dây dẫn tới các bộ phận nối Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn đất của cột điện. Khoảng cách này phải có mức cách điện không bé hơn so với của chuỗi cách điện ( khi điện áp xoay chiều cũng nh xung kích). Bảng 9-5 cho kết quả cách chọn cách điện ở các cột trung gian của đờng dây 35 kV trở lên dùng cột sắt hoặc cột bêtông. Điện áp định mức của đờng dây, kV 35 110 150 220 330 -Trị số quá điện áp nội bộ tính toán, kV 77 204 260 381 510 -Bội số quá điện áp nội bộ (trị số tính toán) 3,8 3,2 3 3 2,7 -Số lợng đĩa sứ trong chuỗi ( sứ -4,5) ** 3 7 9 13 16 -Điện áp phóng điện trớt của chuỗi sứ, kV. 110 256 330 475 585 -Điện áp phóng điện xung kích bé nhất (U 50% ) của chuỗi sứ, kV ma x . 380 660 840 1140 1440 -Khoảng cách không khí chọn theo sự phối hợp cách điện với chuỗi sứ, cm. 45 115 150 210 255 Ghi chú: Khoảng cách không khí giữa dây dẫn tới bộ phận nối đất của cột điện đợc xem nh khe hở khí " mũi nhọn - cực bản". Bảng 9-5 cho kết quả chọn cách điện khi dùng sứ sứ -4,5. Khi dùng các loại cách điện khác có thể tính toán chọn theo phơng pháp tơng tự. Đối với đờng dây 35 kV và điện áp thấp hơn, do mức cách điện xoay chiều của cách điện có độ an toàn cao nên có thể đảm bảo đợc yêu cầu của quá điện áp nội bộ. Đối với yêu cầu của quá điện áp này thì mức cách điện phải tăng rất cao và sẽ không kinh tế. Nhìn chung trong các trờng hợp này việc lựa chọn điện tơng đối đơn giản, cách điện đã đợc chế tạo ứng với từng cấp điện áp định mức của đờng dây. Khi cần thiết phải tăng cờng cách điện để bảo vệ chống quá điện áp khí quyển có thể dùng các biện pháp sau đây: Dùng chuỗi cách điện treo thay cho loại cách điện có chân sắt, nh ở đờng dây 20 ữ 35kV khi dùng chuỗi có 3 đĩa cách điện sẽ tăng mức cách điện xung kích từ hai lần trở lên. [...]... 200 700 a) b) c) Hình 9-1 1 Cách điện vùng bụi Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn Kỹ thuật cao áp a) Dùng ở cột néo Bộ môn Năng lợng b) và c) Dùng cho cột trung gian Điện áp phóng điện mặt ngoài cũng đợc tăng lên khoảng 1,5 lần, ví dụ điện áp phóng điện của chuỗi có 7 đĩa cách điện đặc biệt sẽ có trị số tơng đơng với chuôĩ 11 đĩa sứ -4 ,5 Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn.. .Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Dùng cách điện gỗ ( trên các đờng dây cột gỗ) Gỗ có thể làm tăng mức 170 87 40 205 195 228 cách điện xung kích của đờng dây lên rất cao ( theo mức 100 kV/m) Phân tính chọn cách điện trình bày trên là trong điều kiện bình thờng Khi đờng dây đi qua vùng... cụ thể mà giải quyết bằng các biện pháp sau đây: Tăng mức cách điện đờng dây bằng cách tăng số đĩa trong chuỗi Định kỳ tiến hành làm sạch bề mặt cách điện ( lau, rửa) Dùng các loại cách điện đặc biệt: cách điện vùng bụi Hình 9-1 1 cho kết cấu các loại cách điện treo đặc biệt dùng cho vùng bụi Đặc điểm của loại này là ở chỗ có chiều dài rò điện ứng với 1 kV điện áp định mức của đờng dây lớn hơn nhiều . Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn Chơng XII Cách điện của đờng dây trên không Đ 1 2-1 . Yêu cầu chung đối. điện áp phóng điện xung kích 50 % của khoảng cách không khí n - n dài 115cm. lcm ns = 11 2, là độ dài đoạn ns của thân cột gỗ. Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật. Dây dẫn a) b) c) Kỹ thuật cao áp Bộ môn Năng lợng Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp http://www.ebook.edu.vn Hình 9-1 0 Phân bố điện áp trên chuỗi gồm 5 cách điện