Bài giảng kỹ thuật cao áp (đại học chính quy)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NGUYỄN THỊ THÙY DƯƠNG ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KĨ THUẬT CAO ÁP (CAO ĐẲNG CHÍNH QUY) HƯNG YÊN 2017 Page MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Error! Bookmark not defined CHƯƠNG PHĨNG 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 q trình chủ yếu phóng điện chất khí 1.4 Đặc tính Von-ampe dạng phóng điện chất khí CHƯƠNG HIỆN TƯỢNG PHĨNG ĐIỆN SÉT VÀ Q TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 10 2.1 Khái niệm chung tượng phóng điện sét 10 2.1.1 Q trình phóng điện sét 10 2.1.2 Tham số dòng điện sét 10 2.1.3 Cường độ hoạt động sét 12 2.2 Phóng điện xung kích 12 2.2.1 Điện áp xung kích 12 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 18 2.3.1 Phóng điện vầng quang đường dây dẫn điện chiều 19 2.3.2 Phóng điện vầng quang đường dây dẫn điện xoay chiều 21 2.3.3 Các phương pháp giảm tổn hao vầng quang 26 2.4 Truyền sóng đường dây tải điện 27 2.4.1 Phương trình truyền sóng đường dây tải điện 27 2.4.2 Truyền sóng hệ thống nhiều đường dây 29 2.4.3 Phản xạ khúc xạ sóng 34 2.4.4 Quy tắc Petecxen 35 2.4.5 Quy tắc sóng đẳng trị 39 CHƯƠNG BẢO VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 40 3.1 Khái niệm chung 40 3.2 Mơ hình phạm vi bảo vệ 41 3.2.1 Phương pháp xác định phạm vi bảo vệ cột thu lôi thực nghiệm 41 3.3 Bảo vệ cột thu sét 42 Page 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 lưới điện phân phối 46 3.5.1 Để không xảy phóng điện khơng khí thì: 47 3.5.2 Để không xảy phóng điện hai hệ thống nối đất thì: 47 CHƯƠNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT 48 4.1 Yêu cầu thiết bị chống sét 48 4.2 Thiết bị chống sét ống 49 4.2.1 Cấu tạo 49 4.2.2 Nguyên lý làm việc 49 4.2.3 Ứng dụng 50 4.3 Thiết bị chống sét van 51 4.3.1 Cấu tạo 51 4.3.2 Nguyên lý làm việc 53 4.3.3 Các loại chống sét van Loại bình thường 54 CHƯƠNG NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 56 5.1 Khái niệm chung 56 5.2 Điện trở nối đất xoay chiều 57 5.2.1 Hệ thống nối đất đơn giản 57 5.2.2 Hệ thống nối đất tổ hợp 58 5.3 Tính toán nối đất chống sét 59 5.3.1 Điện trở tản xung kích nối đất tập trung 60 5.3.2 Nối đất phân bố dài 60 5.4 Lựa chọn phương án nối đất hợp lý 62 5.4.1 Nối đất an toàn 62 5.4.2 Nối đất chống sét 63 CHƯƠNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 65 6.1 Đường dây tải điện 65 6.1.1 Yêu cầu chung 65 6.1.2 Quá điện áp sét đánh gây cảm ứng 66 6.1.3 Quá điện áp sét đánh trực tiếp vào đường dây không treo dây chống sét 67 6.1.4 Quá điện áp sét đánh trực tiếp vào đường dây khơng có treo dây chống sét 70 6.2 Trạm biến áp 73 6.2.1 Yêu cầu chung 73 6.2.2 Những dạng sóng truyền vào trạm 74 6.2.3 Các sơ đồ bảo vệ trạm 76 Page 6.3 Máy phát điện 78 6.3.1 Đặc điểm chung 78 6.3.2 Máy phát nối với đường dây không qua máy biến áp 79 6.3.3 Máy phát nối trực tiếp với đường dây không 81 CHƯƠNG CÁCH ĐIỆN DÙNG TRONG CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 84 7.1 Đặc tính cách điện dùng hệ thống điện 84 7.1.1 Đặc tính điện 84 7.1.2 Đặc tính 85 7.1.3 Các điều kiện lựa chọn cách điện hệ thống điện 85 7.2 Cách điện đường dây không 86 7.2.1 Yêu cầu cách điện đường dây 86 7.2.2 Vật liệu kết cấu cách điện 87 7.2.3 Chuỗi cách điện 89 7.3 Cách điện máy biến áp 93 7.3.1 Quá trình độ cuộn dây máy biến áp 93 7.3.2 Đặc điểm trình độ máy biến áp ba pha 95 7.3.3 Quá trình độ cuộn dây máy biến áp tự ngẫu 96 7.3.4 Kết cấu cách điện máy biến áp 97 7.3.5 Những biện pháp cải thiện cách điện máy biến áp 97 7.3.6 Đặc tính điện thí nghiệm cách điện máy biến áp 98 7.4 Cách điện máy điện 99 7.4.1 Yêu cầu chung 99 7.4.2 Kết cấu cách điện máy điện 99 7.4.3 Quá trình độ cuộn dây máy điện 101 7.4.4 Thí nghiệm cách điện máy điện 101 Page CHƯƠNG 1.PHĨNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 1.1 Đặc tính chung chất khí cách điện Các chất khí chủ yếu khơng khí thường dùng làm chất cách điện thiết điện làm việc khơng khí đường 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 tượng ngắn mạch dẫn đến cố thiết bị hệ thống điện Trong nội điện môi rắn lỏng thường tồn bọt khí, điểm cách điện suy yếu cách điện điện mơi bị hư hỏng thường bắt nguồn từ trình phóng điện bọt khí * u cầu chung chất khí cách điện Các chất khí chọn dùng làm chất cách điện phải đạt 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 cường độ cách điện cao Sử dụng chất khí có cường độ cách điện cao giảm kích thước kết cấu cách điện thiết bị Nhiệt độ hóa lỏng thấp để sử dụng chúng trạng thái có áp suất cao Như sau thấy chất khí có cường độ cách điện cao hai trạng thái áp suất nhỏ (chân không) áp suất cao Trạng thái dầu dùng cơng nghiệp điện chất cách điện khác tiếp xúc với chân khơng sinh làm tăng áp suất làm giảm cường độ cách điện, để tăng cường độ cách điện khí thường dùng áp suất cao Phải rẻ tiền dễ tìm kiếm Tản nhiệt tốt Trong trường hợp chất khí ngồi nhiệm vụ cách điện cịn có nhiệm vụ làm mát (như máy điện) cịn u cầu phải dẫn nhiệt tốt Khơng khí, loại khí thường gặp nhất, thỏa mãn yêu cầu (4) lại không đạt yêu cầu (1) (2), yêu cầu (1) Q trình ion hóa khơng khí thường phát sinh chất ozon, oxit nito, bioxit nito, chúng ăn mòn phận cách điện vật liệu hữu ăn mòn kim loại Cường độ cách điện trung bình khơng khí khoảng 30kV/cm khí cường 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) Như cường độ cách điện khơng khí khoảng 1/10 so với dầu biến áp, để tăng cường độ cách điện lên ngang 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 Page 1.2 Các q trình ion hóa chất khí Các chất khí khơng phải chất cách điện lý tưởng chứa phân tử trung hịa mà chúng cịn có số ion điện tử tự Ví dụ, tác dụng yếu tố bên (tia cực ngắn mặt trời, tia vũ trụ,…), 1cm3 khơng khí thường xảy chục lần ion hóa giây Q trình ion hóa q trình biến phân tử trung hịa thành ion dương điện tử, có nghĩa tách điện tử khỏi phân tử Muốn phải công để thắng lực hạt nhất, lượng gọi lượng ion hóa ký hiệu Wi Do lượng tỷ lệ với hiệu số điện áp trường mà điện tử bay qua nên lượng ion hóa cịn biểu thị hiệu ion hóa Ui, điện tử khí bay qua trường hiệu tích lũy lượng lượng ion hóa Wi Đơn vị đo lường lượng ion hóa eV Nếu cung cấp cho điện tử lượng nhỏ lượng ion hóa chưa thể tách khỏi phân tử mà đưa quỹ đạo bên ngồi có mức lượng 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 lượng lớn chúng gần hạt nhân có lực hạt nhân lớn Các ion dương gặp điện tử ion âm kết hợp lại để trở thành phân tử trung hòa Năng lượng dùng để ion hóa ban đầu trả lại 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 lượng phân tử trước sau va chạm Các phân tử bị kích thích trở lại trạng thái bình thường trả lại lượng dạng xạ tương tự 1.2.1 Ion hóa va chạm: phân tử chuyển động va chạm nhau, động chúng truyền cho xảy ion hóa nếu: mv2  Wi m khối lượng phân tử v tốc độ chuyển động phân tử 1.2.2 Ion hóa quang: lượng cần thiết để ion hóa lấy từ xạ sóng ngắn với điều kiện: h  Wi hay   c.h Wi Trong đó: Page 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 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 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 lượng định, lượng 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 nung nóng, điện tử chuyển đọng nhanh có lượng lớn Nếu lượng đạt trị số định đủ để vượt qua hàng rào thoát khỏi bề mặt điện cực + Bắn phá bề mặt âm cực phần tử có động lớn (bằng ion dương có tốc độ cao) + Tác dụng trường cực mạnh (hiện tượng gọi xạ nguội âm cực nhiệt độ bình thường) Biện pháp dùng yêu cầu trường phải lớn tới khoảng 1000kV/cm 1.3 Các q trình chủ yếu phóng điện chất khí Ở nhiệt độ bình thường lượng chuyện động nhiệt phần tử không đủ để ion hóa, có điện trường tác dụng điện tích tự có sẵn nội chất khí chuyển động (điện tích dương chuyển động theo phương trường, điện tích âm theo chiều ngược lại), tích lũy lượng 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) Page hệ số ion hóa va chạm ion gọi hệ số ion hóa thứ hai (β) Thực tế β