Bài giảng học phần Kỹ thuật cao áp: Chương 3 - TS. Nguyễn Văn Dũng

CHƯƠNG III: ÁP LỰC ĐIỆN
TRƯỜNG
 Tổng quan
 Các công thức tính toán điện trường
 Tính toán điện trường của một số hệ thống cơ bản
 Độ dẫn điện của vật liệu cách điện
 Phân bố điện trường của một số hệ thống thực tế


1. Tổng quan
 Khi thiết bị chịu tác động của điện áp  hình dạng và kết cấu của
các điện cực và cách điện sẽ quyết định ứng suất điện trường bên
trong vật liệu
 Đặc tính chất cách điện (điện môi) lý tưởng
o
o
o
o

Đồng nhất
Không dẫn điện (=0)
Hằng số điện môi không phụ thuộc tần số và nhiệt độ
Phân bố điện trường trong vật liệu không phụ thuộc vào dạng sóng điện áp
(AC, DC, Xung)

 Khi kết hợp hai hay nhiều chất cách điện lý tưởng sự phân bố
điện áp phụ thuộc vào hằng số điện môi của các chất cách điện 
phân bố “điện áp điện dung” (capacitive voltage distribution)


 Khi kết hợp hai hay nhiều chất cách điện có   0

o Đối với điện áp DC ổn định: phân bố “điện áp điện trở”
(resistive voltage distribution) phụ thuộc vào điện trở suất của
vật liệu ( phụ thuộc vào nhiệt độ và cường độ điện trường)
o Đối với điện áp DC ở trạng thái quá độ (tại thời điểm nối kết
điện- điện áp bước), AC, xung  phân bố “điện áp điện dung”
(capacitive voltage distribution)
Ví dụ: hệ
thống gồm
hai lớp cách
điện


Màn chắn
cách điện


Phân bố điện dung (phụ
thuộc vào tỉ số r pressboard/ r
oil)

Phân bố điện trở (phụ thuộc
vào tỉ số oil/ pressboard)

 Tỉ số của hằng số điện
môi:
r pressboard/ r oil  2

 Tỉ số độ dẫn điện:
- oil/ pressboard  10-1000

AC hay DC
power
transformer?


2. Điện trường
 Thiết kế thiết bị cao áp cần được trang bị nền tảng kiến thức
về sự phân bố điện trường và phương pháp điều khiển ứng
suất điện trường.
 Sự phân bố điện trường và giá trị ứng suất điện trường sẽ
quyết định kích thước của cách điện (chiều dày và chiều dài
cách điện bề mặt)
 Cường độ điện trường, E (liên hệ mật thiết với điện thế V)
được xác định từ việc giải công thức Laplace (không có điện
tích không gian) hoặc Poisson (có điện tích không gian)


Khái niệm điện trường
Điện trường = lực điện trên 1 đơn vị điện
tích


Đặc tính của điện trường
 Điện trường bên trong vật dẫn điện bằng 0 (Điện tích tập trung
trên bề mặt vật dẫn điện)
 Đường sức điện trường tại bề mặt vật dẫn vuông góc bề mặt vật
dẫn
 Điện trường cao tại các điểm nhọn (bán kính nhỏ trên bề mặt vật
dẫn – tập trung điện tích)

Điện tích tập trung tại các điểm nhọn trên bề mặt vật dẫn điện

Định lý
Gauss

R nhỏ   lớn


Điện trường của một vật mang điện tích cơ bản


 Định lí Gauss: Thông lượng điện dịch qua một mặt kín có giá
trị bằng tổng đại số các điện tích có mặt bên trong mặt đó
n

 D   Dd A    r  o Ed A   qi  Q
S

d A  ndA

D

i

S

   v dv  Q

dA

v

v: mật độ điện tích khối (C/m3)

 Dạng vi phân của công thức
Toán tử Del

 D d A

Dx D y Dz
 D  div D 


 lim S v
v 0
x
y
z
v

Q
 lim
 v
v 0 v

Thiết lập mối quan hệ giữa véc tơ điện dịch và mật độ điện tích khối

 Quan hệ giữa cường độ điện trường và điện thế

1
s

E

2

d
E   grad    
ds
2

2

2

 Ed s   ( grad )d s   d 

1

1

1

1

 2  U12

 Công thức Poisson

D   r o E

 D d A

Dx D y Dz
 D  div D 


 lim S v
v 0
x
y
z
v

Q
 v
v 0 v

 lim

d
E   grad    
ds
div o r  grad    v

v

  
 o r

Toán tử Laplace

2

 2
2
2
  2  2  2
y
z
 x


v
  x, y, z   
 o r



 Nếu không tồn tại điện tích trong điện môi (chất cách điện), công
thức Poisson  công thức Laplace

 2  0

* Trong hầu hết các thiết bị cao áp, điện tích
không gian không tồn tại.
* Tuy nhiên trong các cấu trúc lớp cách điện như

cáp cao áp, sứ xuyên, tụ điện… có thể tồn tại điện
tích tại các bề mặt tiếp xúc giữa các lớp cách điện


3. Tính toán điện trường của một số hệ
thống cơ bản





Tụ phẳng
Tụ trụ đồng tâm
Tụ cầu
Cấu trúc lớp cách điện


3.1. Tụ phẳng

Tính:
- Điện dung C
- Cường độ điện
trường trong lớp
cách điện giữa
hai bản cực?


3.2. Tụ trụ đồng tâm
Tính:
- Điện dung C

- Cường độ điện
trường trong
lớp cách điện?
- Tỉ lệ R1/R2 để
đạt điện trường
nhỏ nhất trong
lớp cách điện?


3.3. Tụ cầu
Cách bố trí thanh cái trong GIS

Tính:

- Điện dung C
- Cường độ điện trường trong lớp cách điện?
- Tỉ lệ R1/R2 để đạt điện trường nhỏ nhất trong lớp cách
điện?


3.4. Cấu trúc lớp cách điện

Bánh dây quấn
n

Bánh dây quấn
n+1

Tính:

- Cường độ điện trường trong lớp cách điện?

Cách
điện
hỗn
hợp


Tổng hợp điện trường của một số hệ
thống cơ bản


4. Phân loại điện trường
 Điện trường được phân thành 2 loại: đều và không đều
 Điện trường không đều được phân tiếp thành: nữa đều và rất không
đều


Điện trường đều giữa hai
bản phẳng

Điện trường rất không đều
giữa hai cực thanh