Bài giảng Kỹ thuật cao áp - Chương I: Giới thiệu chung về kỹ thuật cao áp

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT CAO ÁP  Khái niệm về điện áp cao  Lịch sử phát triển điện áp truyền tải  Các loại áp lực (stress) tác động lên hệ thống cách điện  Áp lực điện áp  Đặc tính chịu đựng điện áp Điện áp cao là gì? Có sử dụng tài liệu từ UTM  Phân loại điện áp  Các cấp điện áp ở Việt Nam Loại Lưới Điện áp Truyền tải 110, 220, 500 kV Phân phối Trung thế 6-35 kV Hạ thế 380/220 V  Phân loại điện áp theo qui định của EVN Loại điện áp Điện áp Hạ áp U  1 kV Trung áp 1 ≤ U ≤ 35 kV Cao áp 35 < U ≤ 220 kV Siêu cao áp U > 220 kV Mô hình hệ thống năng lượng điện tiêu biểu  Truyền tải năng lượng điện đi xa cần điện áp rất cao  Nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng Lịch sử phát triển điện áp truyền tải  Cả AC và DC đều sử dụng cho truyền tải điện năng  Giá trị điện áp truyền tải tăng theo thời gian SO SÁNH HVAC VÀ HVDC  Khoảng cách truyền tải  600 -800 km: truyền tải DC có tính kinh tế hơn truyền tải AC  Diện tích đất dành cho truyền tải nhỏ hơn khi sử dụng DC DC transmission  Lợi ích của việc truyền tải ở điện áp cao o Tăng độ ổn định vận hành o Giảm tổn thất khi truyền tải  Công suất truyền tải lớn nhất của đường dây AC vận hành ổn định LZ V P 2  V: điện áp vận hành ZL: tổng trở xung (250) V (kV) 400 700 1000 1200 1500 P (MW) 640 2000 4000 5800 9000 CLZL / (đường dây không tổn thất)  Tổn thất trên 1 đơn vị chiều dài đường dây (chỉ xem do điện trở đường dây gây ra) 2 2 cos        M M L U P rrIP PM: công suất tại đầu nhận UM: điện áp tại đầu nhận  Công suất tại đầu nhận của đường dây truyền tải ngắn không bù (≤ 80 km) UG UM I IXL     sincos L MG MM X UU IUP  Giảm tổn thất bằng biện pháp nâng cao điện áp truyền tải Phóng điện tia lửa Phóng điện hồ quang Phóng điện vầng quang Các dạng phóng điện Hệ thống cách điện  Điểm yếu nhất trong hệ thống điện  vật liệu cách điện của thiết bị điện cao áp luôn được nghiên cứu và phát triển  Hệ thống cách điện của thiết bị điện chịu tác động liên tục của điện áp vận hành hệ thống và không liên tục của quá điện áp  cần phải thiết kế, phối hợp cách điện và thử nghiệm một cách cẩn thận  Vì lý do an toàn, điện áp thử nghiệm phải lớn hơn điện áp vận hành vài lần  Điện áp thử nghiệm xung sét khoảng 10 lần giá trị điện áp vận hành AC đối với thiết bị hạ thế  Đối với thiết bị cực cao áp (UHV), tỉ số điện áp thử nghiệm xung sét/điện áp vận hành AC khoảng 3 (IEC Std. 1976). Áp lực tác động lên hệ thống cách điện Thiết bị điện- Hệ thống cách điện (khí, lỏng, rắn) Áp lực hóa học (môi trường) Áp lực cơ Áp lực nhiệt Điện áp thử nghiệm Điện áp vận hành Quá điện áp Chống sét van Dây chống sét Nhiều loại áp lực tác động đồng thời lên hệ thống cách điện  gây thoái hóa cách điện hoặc phóng điện Phóng điện đánh thủng Quá điện áp Điện áp thử nghiệm Điện áp vận hành Phóng điện bề mặt Giảm đặc tính điện Giảm độ bền cơ “Kết thúc tuổi thọ” Áp lực hóa học Áp lực nhiệt Áp lực cơ Phóng điện cục bộ Electrical treeing Gia nhiệt Phóng điện cục bộ Water treeing Vết rạn nứt bề mặt Thoái hóa hóa học Thoái hóa vật lý Rạn nứt cách điện  Hệ thống cách điện phải được thiết kế để chịu được tất cả các loại áp lực có thể xảy ra trong quá trình chế tạo, thử nghiệm, vận chuyển, lắp đặt và vận hành với tuổi thọ mong muốn là 30 năm  Các yếu tố quyết định đến thiết kế cách điện của thiết bị điện  Các loại áp lực tác động  Độ bền vật liệu  Phối hợp cách điện * Yêu cầu Áp lực điện áp  Điện áp vận hành  Quá điện áp do sét đánh  Quá điện áp do thao tác (vận hành) hệ thống  Quá điện áp do sự cố Quá điện áp nội bộ (do hệ thống sinh ra và phụ thuộc vào thiết kế hệ thống) Phụ thuộc vào môi trường * Quá điện áp có tính chất quá độ  Do thiết bị điện luôn chịu tác động của quá điện áp trong suốt thời gian hoạt động  cách điện của thiết bị phải được thiết kế và thử nghiệm ở một mức điện áp lớn hơn điện áp vận hành của thiết bị theo tiêu chuẩn Quá điện áp do sét đánh  Nguồn gốc: do sét đánh  Đơn cực và tồn tại trong thời gian rất ngắn (s)  Tốc độ gia tăng điện áp lớn  Biên độ và hình dạng xung không phụ thuộc điện áp hệ thống  Trong phạm vi phòng thí nghiệm, xung sét được tạo bởi máy phát xung (Marx generator) Thời gian đầu sóng: T1 Thời gian xung giảm còn ½ giá trị cực đại: T2 Xung tiêu chuẩn: T1 = 1.2 µs T2 = 50 µs Quá điện áp nội bộ  Nguồn gốc: do thao tác khi vận hành hệ thống hoặc sự cố của hệ thống (chạm đất, ngắn mạch, đứt dây)  Tồn tại trong thời gian ngắn, có thể dao động lớn hoặc lưỡng cực  Tốc độ gia tăng điện áp nhỏ hơn xung sét  Biên độ và hình dạng xung phụ thuộc điện áp hệ thống  Trong phạm vi phòng thí nghiệm, xung quá điện áp nội bộ cũng được tạo bởi máy phát xung (Marx generator) Thời gian đầu sóng: TP Thời gian xung giảm còn ½ giá trị cực đại: T2 Xung tiêu chuẩn: T1 = 250 µs T2 = 2500 µs Đặc tính chịu đựng điện áp của vật liệu  Khi điện áp tác dụng lên hệ thống cách điện đủ lớn  phóng điện (một phần hoặc toàn bộ chiều dày cách điện trở nên dẫn điện) o Nếu chỉ một phần cách điện dẫn điện  phóng điện cục bộ o Nếu toàn bộ chiều dày cách điện dẫn điện  phóng điện đánh thủng  Nếu sự phóng điện diễn ra trên bề mặt cách điện rắn trong môi trường chất khí hay lỏng  phóng điện bề mặt  Khả năng chịu đựng điện áp lớn nhất của cách điện mà không gây ra hiện tượng phóng điện đánh thủng hoặc bề mặt  độ bền điện Hàm phân phối xác suất  Giá trị điện áp phóng điện của một chiều dày cách điện nhất định là khác nhau khi lặp lại thí nghiệm đối với cùng điều kiện thí nghiệm  Điện áp phóng điện được xem như phân bố theo một hàm phân phối xác xuất  Xác định giá trị U50 (V50) và sự phân tán dữ liệu  Phân phối chuẩn hoặc phân phối Weibull được sử dụng để xác định U50 dU UU UP U                                  2 2 1 exp 2 1 )(                 b U U UP 63 exp1)( Hàm phân phối tích lũy chuẩn Hàm phân phối tích lũy Weibull Phân phối chuẩn Phân phối chuẩn Phân phối Weibull  Tại vùng xác xuất cực nhỏ và cực lớn, phân phối chuẩn không khớp dữ liệu, phân phối Weibull khớp hoàn toàn  sử dụng phân phối Weibull  Nếu chỉ cần xác định U50, cả hai loại phân phối cho kết quả như nhau  sử dụng phân phối chuẩn hoặc Weibull Sự phụ thuộc thời gian của điện áp phóng điện xung  Giá trị điện áp phóng điện xung giảm khi thời gian quá điện áp tăng  Thời gian phóng điện phụ thuộc vào tốc độ gia tăng điện áp  Đặc tính điện áp – thời gian (V-t) đặc trưng cho mỗi hệ thống hay cấu trúc cách điện  cần xây dựng V-t  Đặc tính V-t phụ thuộc vào hình dáng điện cực  Điện cực cầu-cầu có đặc tính V-t phẳng và độ phân tác dữ liệu thấp  được sử dụng như thiết bị bảo vệ chống quá điện áp trong hệ thống điện Dữ liệu tập trung cao Dữ liệu phân tán Phối hợp cách điện  Nhiều loại thiết bị điện cùng liên kết hoạt động nhưng có mức cách điện khác nhau  các thiết bị cần phối hợp cách điện  vị trí phóng điện được thiết kế sẵn khi quá điện áp xảy ra  Để ngăn ngừa hư hỏng, mức cách điện (B) của các thiết bị trong hệ thống điện phải lớn hơn biên độ quá điện áp (A)  Biên độ quá điện áp bị giới hạn ở mức bảo vệ bởi các thiết bị bảo vệ  Mức cách điện của thiết bị phải lớn hơn mức bảo vệ khoảng 15-25% Ví dụ điển hình về phối hợp cách điện cho đường dây và MBA High voltage animation Hot line washing Sự nguy hiểm của điện áp cao Lồng bảo vệ Faraday Câu hỏi thảo luận 1. Giải thích các trở ngại cần phải giải quyết khi xây dựng các đường dây truyền tải có điện áp lớn hơn 1000 kV (Thảo luận nhóm) 2. Hệ thống điện Việt Nam sẽ thay đổi như thế nào nếu cấp điện áp lớn nhất khi truyền tải là 22 kV? (Thảo luận nhóm)