Phần III

Chơng 19 : Cách điện của máy biến áp

1


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
Chơng 19 : Cách điện của máy biến áp

19.1. Phân loại và đặc điểm cách điện của máy biến áp
9 Cách điện của máy biến áp nhất là khi máy biến áp có điện áp định mức cao là một kết cấu cách điện phức
tạp, gồm nhiều kết cấu cách điện khác nhau làm việc trong điều kiện không giống nhau và có các đặc tính
khác nhau.
9 Khoảng cách không khí giữa các cách điện xuyên và theo bề mặt của chúng là cách điện bên ngoài, còn lại tất
cả các điện nằm bên trong thùng kín là cách điện bên trong. Cách điện bên trong lại đợc chia thành cách điện
chính và cách điện dọc. Ngoài thành phần cách điện chủ yếu tức là cách điện giữa cuộn dây các pha, giữa
cuộn dây có điện áp khác nhau, giữa cuộn dây đối với đất (gông từ, vỏ thùng) còn phải chú ý đến thành phần
cách điện dọc là cách điện giữa các vòng dây (đĩa dây lớp dây) trong cùng cuộn dây.
9 Yêu cầu về độ bền cách điện của các phần tử cách điện riêng rẽ xác định bởi đặc điểm của quá trình quá độ
trong cuộn dây khi có sóng quá điện áp.
9 Nếu trung tính của máy biến áp nối đất thì điểm có điện áp lớn nhất trên cách điện chủ yếu là vào khoảng 1/3
chiều dài từ đầu cuộn dây và có thể lớn hơn 15-20% điện áp tác dụng.
9 Trờng hợp trung tính cách điện điện áp xung kích lớn nhất xuất hiện ở phía cuối cuộn dây có thể lớn hơn điện
áp tác dung 50-80%.
9 Nếu sóng quá điện áp có độ dốc lớn thì trên cách điện dọc xuất hiện điện áp lớn hơn điện áp ở chế độ bình
thờng hơn 10 lần. Điện áp lớn nhất trên cách điện dọc xuất hiện khi có sóng cắt truyền vào, sóng này xuất
hiện do phóng điện trên cách điện nào đó nằm gần phía trớc máy biến áp. Do điện cảm của các dây dẫn điện
áp trên máy biến áp khi có sóng cắt sẽ có tính chất giao động, điện áp lớn nhất đạt 1,6 lần biên độ sóng cắt.

9 Tác dụng của sóng cắt bày tơng đơng với tác dụng của sóng đầy đủ có biên độ 1,6Ucp.
9 Do những đặc điểm này của máy biến áp với xung quá điện áp, nên kích thớc và kết cấu của cách điện dọc
trong máy biến áp xác định bởi quá điện áp khí quyển. Để hạn chế điện áp trên cách điện dọc khi có tác động
của xung điện áp, các màn che kiểu tụ điện đợc sử dụng.
9 kích thớc của cách điện chủ yếu trớc đây cũng đợc xác định bởi quá điện áp khí quyển. Tuy nhiên hiện nay
tình hình có thay đổi do việc đa vào vận hành các hệ thống siêu cao áp (điện áp 330 kV trở lên), mà đối với
các cấp điện áp này quá điện áp nội bộ lại trở thành quan trọng hơn. Nếu nh loqị quá điện áp nội bộ đợc giới
hạn có hiệu quả tốt thì độ bền cách điện dài hạn sẽ là yếu tố chủ yếu để lựa chọn cách điện chủ yếu của máy
biến áp.
9 Kết cấu cách điện của máy biến áp lực còn phụ thuộc vào cuộn dây và mạch từ của máy biến áp do khi làm
việc trên các bộ phận này sẽ sinh ra một lợng nhiệt khá lớn. Vì vậy cách điện còn phải đảm bảo cho máy biến
áp tản nhiệt tốt.


Phần III

Chơng 19 : Cách điện của máy biến áp

2


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
19.2. Kết cấu cách điện của máy biến áp
9 Môi trờng cách điện trong máy biến áp là dầu biến áp phối hợp với điện môi rắn (các tông cách điện bakêlit,
giấy vải cách điện). Điện môi rắn đợc sử dụng dới các hình thức lớp bọc, lớp cách và màn chắn.
* Lớp bọc là các vật liệu cách điện tơng đối mỏng (lớp sơn hoặc giấy bọc điện cực có chiều dày không
quá 1-2 mm.). Tác dụng chủ yếu của nó là hạn chế việc hình thành các cầu dẫn điện trong dầu. Theo kết
quả thực nghiệm trong trờng gần đồng nhất do có lớp bọc nên điện áp phóng điện tần số còng nghiệp
của khe hở dầu có thể tăng 50% và cao hơn.

* Lớp cách là lớp cách điện khá dày (hàng chục mm) quấn quanh dây dẫn. Nó làm giảm cờng độ trờng
ở xung quanh cực nên đợc sử dụng ở những nơi trờng không đồng nhất nh dùng để bọc dây dẫn của
cuộn dây, bọc dày ở nơi có khe dầu lớn.
* Màn chắn : Trong máy biến áp màn chắn thờng chế tạo bằng các tông cách điện bakêlit. Khi đìa trong
trờng không đồng nhất (khe hở dầu) tác dụng của màn chắn tơng tự nh trong khe hở khí : đặt ở khu
vực trờng cực đại có thể làm cho điện áp phóng điện tần số công nghiệp tăng hơn hai lần. Nhng khi có
màn chắn thì sự ion hóa ở khu vực có điện trờng mạnh sẽ xuấl hiện rất sớm (trớc khi có phóng điện).
Tình trạng này kéo dài sẽ không có lợi vl quả tình ion hoá sẽ phân hóa dầu và phá hủy màn chắn. Do đó
biện pháp này chỉ dùng trong các trờng hợp cần tăng cờng điện áp phóng điện khi điện áp tác dụng
trong thời gian ngắn nh các loại qúa diện áp nội bộ.
9 Trong trờng gần đồng nhất màn chắn có tác dụng ngăn cản sự hình thành các cầu dẫn điện trong dầu.

9 các nét chinh về kết cấu của cách điện chủ yếu của các
máy biến áp từ 35 kV trở xuống. Cờng độ trờng lớn
nhất là ở đầu cuộn dây cao áp nên ống cách điện 2 và
tấm chắn cách điện 5 cần có kích thớc đủ lớn để ngăn
cản phóng điện tới lõi thép và gông từ.

ống chắn cách điện; 2- Tấm cách điện phẳng ; 3- Tấm
cách điện góc ; 4- Cuộn dây cao áp; 5- Gông từ.
A và B là khoảng cách cách điện chính.

9 Cách điện của cuộn dây cao áp đối với cuộn dây hạ áp
đợc thực hiện tơng tự nh đổi với lõi thép. ớ các máy
biến áp 110 kV trở lên do cờng độ điện trờng lớn nên
kết cấu cách điện càng phức tạp hơn. Trên tất cả các
đờng có ống có khả năng phóng điện đều phải đặt
màn chắn (ống cách điện tấm chắn cách điện phẳng
hoặc vuông góc) với số lợng từ hai trở lên.


Kết cầu cách điện của máy biến áp 110 kV : CA ; cuộn


Phần III

Chơng 19 : Cách điện của máy biến áp

2


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
dây cao áp ; HA- Cuộn dây hạ áp.
9 Khi đầu cao áp lấy từ giữa cuộn dây trong máy biến áp có điểm trung tính nối đất thì kết cấu cách điện đợc
giảm nhẹ đi nhiều. Đầu cao áp ở giữa cuộn dây đợc cách xa lôi thép và gông từ nên dễ thực hiện cách điện,
đồng thời đầu và cuối cuộn dây là nơi gần lõi thép, gông từ thì đợc nối với nhau làm điểm trung tính có điện áp
thấm và yêu yêu cầu cách điện không cao.
9 Hình vẽ sau cho cách bố trí cách điện bên trong của máy biến áp ba dây quấn 220/110/35 kV trong đó cuộn
dây 220 kV có đấu ra ở giữa. Cách điện ở các điểm trung tlnh của cuộn dây 220 và 110 kV đợc giảm đi một
cấp nghĩa là của cuộn 220 kV đợc chọn theo mức cách điện của cấp điện áp 110 kV và của cuộn 110 kV
đợc chọn theo 35 kV.




Kết cấu cách điện bên trong của máy biến áp ba dây quấn
220/110/35 kV có đầu ra ở giữa cuộn dây CA- cuộn dây cao
áp ; TA- Cuộn dây trung áp ; HA- Cuộn dây hạ áp.

9 Trong hệ thống có điểm trung tinh trực tiếp nối đất vẫn có một số máy biến áp mà điểm trung tinh đặt cách điện
đối với đất, kết cấu cách điện của chúng không có gi khác so với loại máy biến áp có điểm trung tinh đợc nói

đất vì điểm trung tính đã đợc bảo vệ bằng chống sét van có điện áp định mức phù hợp với điện áp đợc chọn
thiết kề củả điềm trung tính.
9 Cách điện giữa các vòng dây đợc thực hiện bằng các lớp vlải còn giữa các lớp dây đĩa dây thì dùng giấy hoặc
các khe hở dầu cô màn chắn.
19.3. Quá trình quá độ và Phân bố điện áp trong cuộn dây máy biến áp
19.3.1. Sơ đồ thay thế cuộn dây máy biến áp
9 Chiều dài của cuộn dây máy biên áp có thể tới vài km cho nên khi đóng máy biến áp vào nguồn hoặc khi có
qúa điện áp thì trong cuộn dây sẽ có quá trình giao động tơng tự nh quá trình sóng trên đờng dây. Sơ đồ
thay thế của cuộn dây máy biến áp có phức tạp hơn trên hình sau ngoài thành phần điện cảm của dây dẫn và
điện dung của nó đối với đất còn htêm hai thành phần khác là điện dung giữa các vòng dây hay đoạn dây gần
nhau K và điện cảm tơng hỗ M(x) củamỗi vòng dây đối với số vòng còn lại của cuộn dây.


Phần III

Chơng 19 : Cách điện của máy biến áp

1


Kỹ thuật điện áp cao PDF by


Sơ đồ thay thế của cuộn dây của máy biến áp.
9 Thờng các số liệu L, C, K là trị số trung bình của đơn vị dài và sơ đồ của cuộn dây đợc biểu thị dới dạng sơ
đồ có tham số phân bố. Tuy nhiên sự thay thế này cha chính xác vì số phần tử ccủa cuộn dây của máy biến
áp có hạn mà không phải là vô cùng. Trị số hỗ cảm M(x) rất khó xác định và và gây nhiều khó khăn trong quá
trình tính toán nên không xét đến.
9 Chúng ta giả thiết rằng khi có qúa điện áp, dòng điện chỉ đi qua điện kháng dung dẫn bằng cách sử dụng điện
dung K của một phần nào đó của cuộn dây so với các phần bên cạnh và điện dung C của cuộn dây so với đất.

Để đơn giản hoá chúng ta không xét điện dung giữa các cuộn dây khác nhau.
9 Với điều kiên này, ta có sơ đồ tơng đơng cuộn dây máy biến áp nh vẽ.

a)
b
A
X
C

C''C'
e
C'''
L'
L'
L'
L' L' L'L'
u
A
X
6
5
4
3
K

C

1
2
K KK

K

K

K

K
C C

C

C

C
C C C C

K
C

C
K

K

K
K


Mặt cắt và sơ đồ tơng đơng cuộn dây máy biến áp. 1- dây dẫn; 2- phần nối đất; 3-6 : màn chắn tĩnh điện đặt gần
những vòng dây đầu tiên.

9 K là điện dung giữa các vòng dây của cuộn dây, C là điện dung của các phần tử cuộn dây với các phần nối đất.
Sơ đồ tơng đơng trên còn bao gồm cả các điện cảm L' của các hần tử của cuộn dây và các điện dung C'
e
,
C''
e
, C'''
e
giữa các màn chắn với cuộn dây.
9 Do các điện dung K mắc nối tiếp, điện dung dọc theo
cuộn dây (điện dung ngang) bằng:
n
K
K
K
en
==

1
1
(19. 1)
n là số phần tử (các cuộn dây) tạo thành cuộn dây.
9 Các điện dung đối với đất mắc song song, điện dung
của các cuộn dây đối với đất (điện dung dọc)
bằng :
nCCC
t
==



9 Ta có thể thay thế các điện K
en
và C
t
bằng một điện
dung đầu vào duy nhất :
entent
K.CC =

9 Khi phân tích hiện tợng xảy ra trong máy biến áp lúc
quá điện áp, chúng ta đi từ giả thiết là sóng tới máy biến
áp có độ dài vô cùng và dạng vuông góc lan truyền dọc
theo đơng truyền sóng với vần tốc
LC
v
1
=

trong đó L và C là điện cảm là điện dung đơn ị dài
của đờng dây. Một đặc tính quan trọng của
đờng dây là tổn trở sóng
C
L
Z
c
=
: đối với
đờng dây trên không nó có trị số nằm trong
khoảng từ 350 đến 450; và đối với đờng cáp do
điện dung tăng lên đáng kể, Z

c
vào khoảng 50.
Tổng trở của máy biến áp lớn hơn rất nhiều, thay
đổi tuỳ thuộc vào bản chất và tần số dao động.
Chúng ta biết rằng khi có sóng điện áp đi qua một
mạch điện có tổng trở Z
c
bé hơn (trờng hợp
đờng dây) sang một mạch có tổng trở lớn hơn,
điện áp trên máy biến áp tăng lên và tối đa bằng
hai lần điện áp sóng tới. Khoảng thời gian để điện


Phần III

Chơng 19 : Cách điện của máy biến áp

2


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
áp tên máy biến áp tăng từ U
o
đến giá trị 2U
o
rất ngắn
chỉ vào khoảng 0,1s. Trong khoảng thời gian này hầu
nh tức thời, mạch điện dung sẽ nạp, do đó phân bố
ban đầu điện áp dọc theo cuộn dây của máy biến áp
hoàn toàn có thể rất khác so với phân bố điện áp ở

chế độ làm việc bình thờng.
9 vì quá trình quá độ cuộn dây máy biến áp là tổ
hợp phức hợp điện dung và điện kháng, bớc
chuyển từ trạng thái ban đầu đến xác lập xảy ra
theo quá trình giao động tắt dần do hiệu ứng điện
trở của cuộn dây và dẫn điện của cách điệ
19.3.2. Phân bố điện áp ban đầu dọc theo cuộn dây của máy biến áp
9 Chúng ta phân tích sơ đồ tơng đơng và giả thiết rằng đầu cuối X của cuộn dây đợc nối đất. Cần xác định
phân bố điện áp khởi đầu trên cuộn dây khi mà điện áp tác dụng lên các vòng dây đầu tiên đạt giá trị cực đại
U
m
. Do tần số khá cao, nên ta có thể coi rằng dòng điện không đi qua các vòng dây này vì trở kháng của nó

a
L' rất lớn (
a
=2f
a
và f
a
= 1/T
a
) và chỉ đi qua các điện dung ngang 1/K và các điện dung dọc 1/C. Khi tính
phân bố điện áp khởi đầu, ta coi rằng điện kháng
a
L' là vô cùng lớn, do vậy phân bố điện áp chỉ phụ thuộc
vào các điện dung này nh trên hình b (phần sơ đồ vẽ bằng nét đứt có thể bỏ qua).
9 Nếu không có điện dung đối với đất (C=0), tất cả các điện dung K sẽ ghép nối tiếp, qua mạch chỉ có một dòng
điện đi qua. Nếu các điện dung K là nh nhau ta có một phân bố áp đều dọc theo cuộn dây. Trên hình 19.5a,
phân bố áp nh thế này đợc biểu diễn bởi một đờng thẳng xiên góc nối điểm M và N tơng ứng với đầu vào

của cuộn dây có điện áp bằng U và cuối cuộn dây có thế bằng không.

b)
1,0 0,2 00,8 0,6 0,4
1,0
0,2
0
0,8
0,6
0,4
a)
1,0 0,2 0 0,8 0,6 0,4
1,0
0,2
0
0,8
0,6
0,4

=0

=5

=10

=1

=5

=10


=0
M
N
M
N'
x/l
x/l
U
m
u

U
m
u



Phân bố điện áp khởi đấu
a) trung tính nối đất
b) trung tính cách điện.
9 Ngợc lại nếu ta coi các điện dung ngang bằng không (K=0), mạch điện hớng về phía đất chỉ qua các điện
dung C đầu tiên kể từ đầu cuọn dây. Điều đó có nghĩa là tất cả điện áp tập trung tại những vòng sây đầu tiên.
Phân bố áp nh thế này đợc thể hiện băngf đờng thẳng đứng nối điểm M với gốc toạ độ nh trên hình.
9 Do đó phân bố áp dọc theo cuộn dây nằm giữa các trờng hợp này. Chúng ta xem xét một số trờng hợp đặc
biệt. Giả thiết cuộn dât cao áp có 5 phần tử (n=5) và điện dung C=K.
9 Gọi U
1
, U
2

, U
3
, U
4
, U
5
là điện áp trên các cực của tụ điện. Ta có
C
q
C
q
U
1
1
==
trong đó q
1
là điện tích của tụ
điện C đầu tiên kể từ phía đầu cuối cuộn dây. Do các điện dung C và K mắc nối tiếp nên q
I
=q. Trong trờng
hợp này điện áp
C
q
U
2
2
=
, nhng vì
C

q2
C
q
C
q
C
q
UU
I
12
=+=+=
nên ta q
2
=2q. Tơng ứng q
II
= q
2
+ q
I
=
2q + q=3q. Điều này cho phép xác định điện tích q
3
,

C
q
U
3
3
=

hay
C
q5
C
q3
C
q2
C
q
U
II
2
=+=+=
3
U
, do
vậy q
3
=5q. Tiếp tục nh thế ta sẽ có điện tích đợc thể hiện trên hình.