Phần III

Chơng 16 : Cách điện của hệ thống điện
1


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
Chơng 16 : Cách điện của hệ thống điện

16.1. Các đặc tính điện và cơ của cách điện
1. Đặc tính điện
9 Cách điện dùng trong hệ thống thờng gặp là các loại điện môi thể khí (không khí) thể rắn (sứ, thủy tinh) và thể
lỏng (dầu cách điện dùng trong máy biến áp, cáp, tụ điện). Đối với cách điện thể rắn đặc tính cách điện của nó
có thể bị phá hủy theo một trong hai khả năng sau đây :
* Chọc thủng nghĩa là khi phóng điện xảy ra trong nội bộ thể tích của điện môi (cách điện bị xem h hỏng
hoàn toàn vì tính chất cách điện không thể phục hồi, đồng thời còn kèm theo các phá hoại vể cơ khí).
* Phóng điện theo bề mặt cách điện. Khi xảy ra phóng điện theo bề mặt chỉ cần chú ý đến tình trạng mặt
ngoài bị đốt cháy dới tác dụng của tia lửa điện. Nếu phóng điện đợc toại trừ nhanh chóng (nh khi có
rơle bảo vệ cắt mạch điện áp) trong đa số trờng hợp cách điện vẫn có thể tiếp tục làm việc Do đó trong
chế tạo cách điện thể rắn đợc chọn sao cho điện áp phóng điện mặt ngoài bé hơn điện áp chọc thủng
một cảnh đáng kể đảm bảo chỉ để xây ra phóng điện theo bề mặt...
9 Đặc tính điện của cách điện đttợc đặc trng bời các tri số sau đây :
* Điện áp phóng điện tần số công nghiệp khi bề mặt cách điện khô và ớt. Trị số này dùng để tinh toán
chọn cách điện theo yêu cầu của điện áp ỵôi bộ.
* Đặc tính vôn-giây dùng để chọn cách điện theo yêu của của quá điện áp khuyển.
a) Điện áp phóng điện tần số công nghiệp
9 ĐốI với cách điện làm việc trong nhà dùng điện áp phóng điện khò còn với cách điện làm việc ngoài trời dùng
điện áp phóng diện ớt. Điện áp phóng điện k hô đợc xác định khi mặt ngoài của cách điện sạch sẽ khô ráo
và có hiệu chỉnh òê điều kiện khí hậu và độ ầm tuyệt đối tiêu chuẩn của môi trờng không khí.

9 Trị số điện áp phóng điện ớt ứng với trờng hợp mặt ngoài cách điện bị ớt, trị số này phụ thuộc rất nhiều vào
tình hình ma (cờng độ, phơng và dạng của tia nớc và điện dẫn của nớc ma) cho nên để có thể so sánh
trờc tiên cần phải tiêu chuẩn hóa ma.
* Vi dụ ở Liên xó khi xác định bằng thực nghiệm điện áp phóng điện ớt của cách điện làm việc ngoài trời
dùng ma nhân tạo có cờng độ ma 3 mm/phút, điện trở suất của n
ớc ma khoảng 10
14
cm (ở nhiệt
độ t = 20
o
C) phơng ma theo góc tới 40
o
so với đờng trục của cách điện, tia nớc ma có kết cấu từng
hạt.
* Điện áp phóng điện ớt cũng phải hiệu chỉnh về điều kiện khí hậu tiêu chuẩn nhng chỉ cần hiệu chỉnh
theo áp suất còn nhiệt độ thì khòng có ảnh hởng đáng kể. Sự hiệu chỉnh này xuất phát từ hiện tợng là
đờng phóng điện ớt có một phần đi men theo mặt ngoài của cách điện còn một phần chọc thủng qua
khe hở khí. Nếu phần đi qua khe hở khí chíếm tỷ lệ lớn thì ảnh hởng của áp suất đối với điện áp phóng
diện ớt càng mạnh. Để đợc đơn giản thờng giả thiết là khe hở khí chiếm một nửa đờng phóng điện,
nh vậy việc hiệu chỉnh theo áp suất sẽ tính toán theo công thức :













++=
760
15,0
p
UU
u
(16.1)


Phần III

Chơng 16 : Cách điện của hệ thống điện
2


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
b) Đặc tính vôn giây
9 Đặc tính vôn - giây biểu thị mức cảnh điện xung kich của cánh điện. Nó đợc xác định bằng dạng sóng tiêu
chuẩn 1,5/40s ờ cả hai cực tính dơng và âm. Thờng chỉ xây dựng đặc tính vôn- giây khi mặt ngoài cách
điện khô và sạch, cách điện bị ớt có làm giảm điện áp phóng điện nhng không đáng kể (chỉ khoảng 2 - 3%).
9 Trờng hợp không xây dựng đợc hoặc không có đờng đặc tinh vôn giây có thể dùng trị số điện áp phóng
điện bé nhất U
50%
để biểu thị mức cách điện xung kich của cách điện. Các số liệu về điện áp phóng điện xung
kích phải hiệu chỉnh về điều kiện khí hậu tiêu chuẩn.
9 Ngoài các đặc tính phóng điện nói trên đối với cách điện còn quy định thêm về điện áp thử nghiệm tần số công
nghiệp và xung kich. Trị số của chúng đợc quy định trong từng trờng hợp cụ thể. Yêu cầu đối với cách điện
là phải chịu đựng đợc các mức điện áp này mà không bị phóng điện hay h hỏng.

9 Điện áp thử nghiệm tần số cống nghiệp là điện áp mà cách điện phải chịu đợc trong thời gian một phút khi
mặt ngoài của nó khô và sạch.
9 Điện áp thí nghiệm xung kích tiến hành với dạng sóng tiêu chuẩn toàn sóng và sóng cắt ở 2s (cắt bằng khe
hở của hai quả cầu). Cách điện phải chịu đựng đợc ba lần tác dụng của điện áp thí nghiệm xung kích toàn
sóng vâ sau đó chịu tác dụng của ba lần điện áp thí nghiệm xung kịch sóng cắt.
2. Đặc tính cơ
9 ở tình trạng làm việc bình thờng cũng nh khi có sự cố cách điện đều phải chịu tác dụng của những lực cơ
học rất lớn vi dụ loại cánh điện treo trên đờng dây chịu lực kéo, loại cách điện đỡ chịu ực uốn...
9 Đặc tính cơ chủ yếu của cách điện là độ bền cơ giới đảm bảo, đó là tải trọng nhỏ nhất có thể phá hoại cách
điện với điều kiện là tải trọng đó tăng dần và đều. Tuy vậy khái niệm có tính chất thuần túy cơ giời này không
thể đánh giá toàn diện về chất lợng của cách đện vì ngay ở tải trọng nhỏ hơn độ bền cơ giới đảm bảo đã có
những vết rạn nứt nhỏ ví dụ các vết rạn nứt phía dới mũ kim loại của cách điện treo, chúng có thể gây ảnh
hởng xấu đến đặc tinh điện thậm chí còn có thể làm mất hẳn khả năng cách điện. Do đó đối với loại cách điện
nảy phải tiến hành thí nghiệm phối hợp với cả hai loại phụ tải cơ điện đồng thời với việc tăng dần tải trọng cơ
giới cho cho tác dụng điện áp bằng 75 - 80% trị số điện áp phóng điện khò. Các h hỏng nhỏ sẽ đợc phát
hiện do cách điện bị chọc thủng và trị số tải cơ học ứng với lúc này đợc gọi là độ bền cơ điện.
9 Trong vận hành còn quy định thêm về tải trọng thí nghiệm một giờ có trị sổ bằng khỏang 75% độ bền cơ điện.
Cách điện phải chịu đợc tải trọng này trong thời gian một giờ mà không bị h hỏng (vẫn cho tác dụng điện áp
bắng 75 - 80% trị số điện áp phóng khô).
9 Trị số tải trọng cực đại cho phép của loại oách điện treo đợc ấy bằng một nửa tải trọng thí nghiệm một giờ.
16.2. Các điều kiện để lựa chọn mức cách điện của hệ thống
9 Mức cách điện của hệ thống thớng chọn theo các điều kiện sau đây :
* Trị số điện áp làm việc lớn nhất cho phép trọng thời gian dài.
* Trị số của quá điện áp nội bộ.
* Trị số của quá điện áp khí quyển.
9 Điện áp làm việc lớn nhất trong thời gian lâu dài có thể đa đến khả năng chọc thủng cách điện do nhiệt hoặc
làm xấu cách điện do các hiệu ứng có tính chất tích luỹ... và trong một số thiết bị điện cũng nh
thiết bị bảo vệ
điện áp làm việc lớn nhất quyết định điều kiện dập tất hồ quang.
9 Trị số điện áp làm việc lớn nhất phụ thuộc vào điện áp định mức của hệ thống và phơng thức nối đất của điểm



Phần III

Chơng 16 : Cách điện của hệ thống điện
3


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
trung tính.
9 Trong hệ thống do yêu cầu điều chỉnh điện áp, điện áp dây đợc chọn cao hơn trị số định mức khoảng 15%,
nghĩa là :
U
d
= 1,15 U
đm
(16.2)
9 Khi điểm trung tính của hệ thống trực tiếp nối đất, trị số điện áp làm việc lớn nhất sẽ lấy theo điện áp và có trị
số bằng
3
15,1
dm
U
còn khi điểm trung tính cách điện (hoặc nối đất qua cuộn đập hồ quang) thì sẽ lấy theo điện
áp dây và bằng 1,15U
đm
. Mỗi cấp điện áp làm việc đều yêu cầu mức cách điện tơng ứng nhng khi lựa chọn
mức cách điện thì yếu tố quyết định lại là hai điều kiện sau tức là theo yêu cầu của các toại quá điện áp. Điều
đó là do quá điện áp có trị sốíât lớn so với điện á p làm việc và điện áp chọc thủng cũng nh điện áp phóng
điện theo bề mặt cách điện chỉ phụ thuộc vào biên độ điện áp tác dụng lên nó. Chỉ trong một số ít trờng hợp

cụ thể, khi chọn mức cách điện cần xét thêm điện áp làm việc, ví dụ nh đối với cách điện xuyên kiểu tụ điện
phải khống chế cờng độ trờng của điện áp làm việc sao cho không phát sinh vầng quang ở mép điện cực
phụ, trong các thiết bị chống sét, cầ u chì, thịềt bị đóng cắt điện áp làm việc lớn nhất có ảnh huởng trự c tiếp
điều kiện dập tắt hồ quang; trong tính toán chống sét, xác suất chuyển từ tia lửa điện xung kích sang hồ quang
ngắn mạch cũng liên quan đến gradient của điện áp làm việc dọc theo đờng phóng điện v v :
9 Trong vận hành quá điện áp ttác dụng lên cách điện gồm có hai loại : quá điện áp khí quyển và quá điện áp
nội bộ.
9 Quá điện áp khí quyển là do khi có sét đánh thẳng vào đờng dây hoặc khi sét đánh gần và gây cảm ứng
trên đờng đây. Trờng hợp đầu nguy hiểm nhất và đợc chọn làm điều kiện tinh toán chọn aasch điện và xác
định trị số đạên áp thí nghiệm xung kich. Trị số của quá điện áp kúi quyển phụ thuộc vào đờng dây có hoặc
không có bảo vệ bằng dây chống sét.
* ĐốI với đờng dây có trêo dây sét quá điện áp khí quyển tác dụng lên cách điện đờng dây gồm các
phần điện áp giáng trên bộ phải nối đất cột điện và trên điện cảm của thân cột. Khi qúa điện áp vợt qúa
trị số điện áp phóng điệo xung kích của cách điện đờng dây sẽ gây nên phóng điện ngựơc từ các bộ
phận nối đất của cột điện (dây chống sé,t xà) sang dây dẫn và có khả năng đa đến ngắn mạch làm
nhảy máy cắt điện. Dòng điện sét tới hạn để có thể gây nên phóng điện ngợc đợc gọi là mức chịu sét
của đờng dây, nó phụ thuộc vào khả năng cách điện và trị số điện trở nối của cột điện. Khi cách đíện
của đờng dây có dây chống sét đợc lựa chọn theo điều kiện quá điện áp nội bộ và nối đất cột điện
đợc thực hiện đúng theo các yêu cầu kũ thuật t trong các quy trình, quy phạm thì có thể đạt mức chịu sét
rất cao. Ví dụ khi đi trong vùng đất có 10
4
cm, mức chịu sét của đờng dây có thể đạt tới 120 kA đối
với đờng dây 110 kV; 150 kA đối với đừờng dây 154 kV và 200 kA đối với đờng dây 220 kV.
* Xác suất xuất hiện dòng điện sét có các trị-số trên rất bé điều đó chứng tỏ đờng dây có điện áp định
mức càng cao thì yêu cầu đối với bảo vệ chống quá điện áp khí quyển càng đợc giảm nhẹ, nói cách
khác khi cách điện chọn theo điền kiện của quá điện áp nội bộđã có thể thỏa mãn phần lớn yêu cầu của
quá điện áp khí quyển.
* Khi đờng dây không có dây chống sét, quá điện áp khí quyển trên dây dẫn có trị số bằng
Z
ZI

s
100
4

(Z
tỗngtrở sóng của đờng dây khoảng 400 . Từ công thức, nhận thấy với dòng điện sét không lớn đã có
thể gây phóng trên cách điện, nh vậy mức chịu sét của đờng dây khi không có dây chống sét rất thấp.


Phần III

Chơng 16 : Cách điện của hệ thống điện
4


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
Tăng cờng cách điện để đạt mức chịu sét cao sẽ rất tốn kém. Trong tính toán trị số dòng điện sét thờng
lấy khoảng 100-150 kA, do đó để không xảy ra phóng điện đờng dây phài đạt đợc mức cách điện xung
kicn tới 10000-150000 kV. Điềuđó không thể thực hiện đợc và nh vậy không thể tránh đợc các phóng
điện xảy ra trên cách điện mà chỉ có thể giải quyết bằng cách hạn chế hậu quả của các lần phóng điện
nh giảm xác suất chuyển từ hình thức phóng điện tia lửa hình thức phóng điện hồ quang ổn định hoặc
nếu có hồ quang thì phải dập tắt nhanh chóng để không làm nhảy máy cắt điện.
* ĐốI với đờng dây cột gỗ, do gỗ cũng thể hiện nh một loại vật liệu cách điện khi có quá điện áp xung
kịch (cờng độ cách điện khoảng 100 kVmax/m) nên mức chịu sét của đờng dây đợc nâng cao lên rất
nhiều so với đờng dây cột sắt (bê tòng) dùng cấp điện áp. Nhng đặc điểm nổi bật của gỗ là ở chỗ làm
tăng chiều dài của khe phóng điện giữa các pha cũng nh giữa pha với đất nên građient điện áp làm việc
phân bố dọc theo khe phóng điện bé, làm giảm xác suất hình thành hồ quang ngắn mạch ổn định, do đó
phần lớn các tia lửa của phóng điện sét đợc dập tắt ngay và đờng dây vẫn tiếp tục vận hành bình
thờng. Đối với điện áp xoay chiều, gỗ không phải là vật liệu cách điện tốt, có điện dẫn khá lớn. Dòng
điện rò có thể làm cho gỗ bị cháy nên ở các đờng dây này vẫn cần cách điện răn nh sứ hoặc thủy tinh,

tuy số lợng cách điện có ít hơn so vớl đờng dây cột sắ t (thờng ít hơn một đìa). Khi đờng dây đi trong
vùng bụi bẩn, việc dùng gỗ bị hạn chế, đặc biệt không nên dùng xà gỗ vì xà thờng bị cháy do rò điện
giữa các pha.
* Đối với đờng dây cột sắt, không thể giải quyết bằng cách giảm xác suất hìnn thành hồ quang ngắn
mạch ổn định mà chủ yếu là nhanh chóng dập tắt nó. Điều này còn phụ thuộc vào phơng thức nối đất
của điểm trung tính của hệ thống. Khi điểm trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang nếu
dòng điện sét không lớn lắm thì chỉ có thể gây nên ngắn mạch (ổn định) một pha. Hồ quang sẽ đợc dập
tắt do tác dụng của cuộn dập hồ quang, nếu không hệ thống vẫn có thể tiếp tục vận hành trong một thời
gian nhất định. Khi dòng đtện sét lớn sẽ dẫn đến ngắn mạch giữa các pha làm nhảy máy cắt điện., nhng
khả năng này phụ thuộc rất nhiều vào tình hình nối đất cột điện. Nêus có điều kiện giảm cáng thấp trị số
điện trở nối đất thì số lần nhảy máy cắt điện càng ít. Khi điểm trung tính trực tiếp nối đất, các ngắn mạch
một pha do sét gây nên đều dẫn đến nhảy máy cắt điện. Trong trờng hợp này để đảm bảo vìệc cung
cấp điện liên tục phải dùng thiết bị tự động đóng lại. Việc dùng thiết bị tự độngđóng lại là hợp vì sự cố do
sét gây nên là sự cố tạm thời, không yêu cầu sửa chữa hoặc thay thế các bộ phận của đờng dây.
* Từ các phần trình b
y trên cho thấy, quá điện áp khí quyển cũng không phải l điều kiện quyết
định trong việc lựa chọn cách điện đờng dây. Đối với các đờng dây điện áp cao, nó đợc giải
quyết kết hợp theo điều kiện của quá điện áp nội bộ, còn ở các đờng dáy điện áp thấp hơn thì chỉ
có thể phối hợp với các biện pháp hạn chế tác hại do nó gây nên.
* Quá điện áp do sét đánh trên đờng dây không những chỉ tác dụng lên cách điện đờng dây mà còn
truyền dọc theo dờng đây vào trạm biến áp. Trong quá trình truyền trên đờng dây, sóng quá điện áp sẽ
giảm dần tới mức cách điện xung kích của đờng dây) do có phóng điện tại các cột mà sóng đi qua. Để
bảo vệ cách điện của trạm đối với quá điện áp truyền từ đờng dây, hiện nay thờng dùng loại chống sét
van, cấu tạo bởi các tấm điện trở không đờng thẳng trên cơ sở ZnO và trong trờng hợp dùng các tấm
điện trở không đờng thẳng trên cơ sở SiC còn có thêm một chuỗi gồm nhiều khe hở phóng điện nối tiếp
nhau. Khi có quá điện áp, khe hở bị chọc thủngúẽ có tác đụng ghép mạch điện trở không đờng thẳng với
mạch ủông trở sóng của đờng dây (Z 400), do đó điện trở không đờng thẳng càng bê thì quá điện


Phần III


Chơng 16 : Cách điện của hệ thống điện
5


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
áp đặt trên chống sét van và cũng là quá điện áp tác dụng lên cách điện của trạm càng đợc giảm thấp.
Sau khi hết quá điện áp, trong chống sét van sẽ còn dòng điện tần số công nghiệp của điện áp làm việc
nhng hồ quang của nó thờng đợc đập tắt ngay khi ừong điện này qua trị số không lần đầu tiên.
* Tính chất không đờng thẳng của điện trở trên cơ sở SiC làm cho đặc tinh vôn-ampe của chống sét van
có dạng : U= CI

= CI
0,25

* Từ đó có thể viết gần đúng biếu thức :
4








=









=
xc
xk
xc
xk
xc
xk
I
I
I
I
U
U

(16.3)
U
xk
, I
xk
là điện áp và dòng điện qua chống sét van khi có quá điện áp khí quyển (xung kich)
U
xc
, I
xc
là điện áp và dòng điện qua chống sét van khi có điện áp làm việc (xoay chiều).
* Thờng trong chế tạo chống sét van, trị số dòng điện l

xk
đợc giời hạn trong khoảng 5 -- 10 kA và I
xc

khoáng 80A, nh vậy có thể xác định gần đúng trị số Uxk :
xcxcxk
UUU 2,3100
4
==
(16.4)
* Trong công thức trên, U
xc
là trị số điện áp lớn nhất đặt trên chống sét van ớ pha khỏng có sự cố khi có
một pha chạm đất. Nh vậy trong hệ thống có điểm trung tinh cách điện, U
xc
có trị số bằng 1,15U
d
còn
trong hệ thống có điểm trung tinh trực tiếp nối đất U
xc
sẽ bằng 0,8U
d
. Trị số Uxk là điện áp d của chống
sét van, đó là cơ sở để xác định mức cách điện xung kich của trạm. Trong các năm gằn do đày chất
lợng của chống sét van đã đợc cải tiến nhiều nên đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc giảm nhẹ mức
cách điện xung kích của trạm biến áp.
9 Trong bệ thống điện khi có các thao tác hoặc các các nguyên nhân khác làm thay đổi tham số của hệ thống sẽ
éo quá trình quá độ từ trạng thải ổn định này sang trạng thái ổn định khác, thực chất của các quá trình này là
các giao động điện từ trong mạch gồm điện cảm và điện dung và gây nên quá điện áp nội bộ. Các loại quá
điện áp nội bộ trầm trọng nấât xảy ra trong các trờng hợp sau đây :

* Một phần năng lợng từ trờng chuyển thành năng lợng điện trờng và đợc tích lũy trong điện dung có
trị số bé, lúc này điện áp trên điện dung sẽ rất lớn. Trờng hợp này ứng với khi cắt máy biến áp không tải
và hồ quang bị dập tắt cỡng bức.
* Điện cảm và điện dung trong hệ thống phát sinh cộng hởng ở tần số công nghiệp hoậc ở tần số cao nh
trong trờng hợp bị đứt dây, điện cảm của cuộn dây máy biến áp phát sinh cộng hởng bởi điện dung của
đờng dây.
* Trờng hợp hồ quang của ngắn mạch chạm đất lúc cháy lúc tắl gây nên nhiều đợt giao động...
* Vì quá điện áp nôi bộ đợc duy trì bởi năng lợng của bản thân hệ thống nên độ lớn của nó có liên quan
đến điện áp định mức của hệ thống. Điện áp định mức càng cao, quá điện áp càng lớn vâ hầu nh có
quan hệ tỷ lệ với nhau cho nên quá điện áp nội bộ đợc biểu thị bằng số bội của điện áp pha của hệ
thống.
* Tuy vậy trong các hệ thống điện áp cao do trị số tuyệt đối của quá điện áp nội bộ rất lớn vầng quang xuất
hiện trên dây dẫn sẽ làm giảm quá điện áp do so với cùng một loại quá điện áp nội bộ thì số bội của hệ