CÁC PHẦN DẪN ĐIỆN

(1)

CHƯƠNG 7 :

CÁC PHẦN DẪN ĐIỆN

7-1. KHÁI NIỆM

Các phần dẫn điện là bộ phận có dòng điện chạy qua nối giữa nguồn với tải cũng như giữa các khí cụ điện với nhau .

Căn cứ vào cấu trúc, phần dẫn điện phân thành :

1- Dây dẫn : là dây mềm, tiết diện tròn có thể dùng một hay nhiều sợi phụ thuộc vào dòng điện, dùng sứ treo để cách điện với các phần nối đất.

2-Thanh dẫn : là thanh cứng, tiết diện hình chữ nhật, hình tròn rỗng, hình máng v...v.. có thể dùng một hoặc hai thanh ghép chặt nhau phụ thuộc vào dòng điện, để cách diện với đất dùng sứ đỡ.

3- Cáp điện lực : là dây dẫn mềm được bọc cách điện theo điện áp định mức.

Khi lắp đặt có thể chôn dưới đất hoặc đặt trong rãnh (hầm cáp) không cần cách điện.

Hiện nay, thanh dẫn có chế tạo thành khối, gồm thanh dẫn, sứ cách điện xung quanh có thùng kín. Bên trong thùng có thể có không khí hoặc khí SF6. Kích thước loại này nhỏ, làm việc đảm bảo an toàn nhưng giá thành cao.

Nguyên liệu chế tạo phần dẫn điện : đồng , nhom còn thép chỉ dùng khi dòng bé .

- Đồng có ưu điểm là dẫn điện tốt (điện trở suất ρ bé )ù , ít bị tác dụng bởi môi trường xung quanh , sức chịu đựng cơ tốt … nhưng giá thành cao và là nguyên liệu chiến lược .

- Nhom có ưu điểm nhẹ , giá thành thấp , tỷ trọng nhỏ nhưng có khuyết điểm dẫn điện kém , bị tác dụng môi trường nhất làsương muối , acxít và các hoá chất và sức ben về cơ kém .

Tiết diện phần dẫn điện :hình tròn , hình chữ nhật , hình máng , hình ống … - Hình tròn ( hình 7-1a ) được sử dụng rộng rải nhất vì có ưu điểm dễ chế tạo nhưng với dòng xoay chiều có hiệu ứng mặt ngoài , hiệu ứng ở gần cho nên khi dòng điện lớn một phần tiết diện không dẫn điện . Để khắc phục hiện tượng này có thể chế tạo dây gồm nhiều sợi nhỏ vặn xoắn nhau . Tiết diện tròn ứng dụng chế tạo làm dây dẫn và cáp.

- Hình chữ nhật ( hình 7-1b ) có ưu điểm dễ dàng khi nối với nhau cho nên được ứng dụng để chế tạo thanh dẫn nhưng khi dòng lớn với dòng xoay chiều cũng phát sinh hiệu ứng ở gần , hiệu ứng mặt ngoài . Để khắc phục

(2)

hiện tượng này có thể dùng thanh ghép hai hoặc ba thanh với nhau ( hình 7- 1c ) .

- Hình máng ( hình 7-1d ) , hình ống ( hình 7-1e ) được sử dụng để chế tạo thanh dẫn khi dòng điện rất lớn vì tản nhiệt tốt và khắc phục được hiệu ứng ở gần , hiệu ứng mặt ngoài .

a) b) c) d) e) Hình 7-1. Tiết diện thanh dẫn , dây dẫn , cáp .

a) hình tròn ; b,c) hình chữ nhật đơn , ghép ) ; d) hình máng ; e) hình ống 7-2.. CHỌN THANH DẪN - THANH GÓP CỨNG

1. Thanh dẫn-thanh góp đơn tiết diện hình chữ nhật a. Theo dòng điện lâu dài cho phép :

Icp.K1.K2  Icb max

Icp: dòng cho phép khi nhiệt độ cho phép là 70^o C, và nhiệt độ môi trường xung quanh 25^o C,

thanh dẫn đặt đứng (hình 7-2 a) tra ở sổ tay.

K1: hệ số hiệu chỉnh khi thanh dẫn đặt nằm ngang (hình 7-1b). K1 = 0,95

K2: hệ số hiệu chỉnh theo môi trường xung 2 quanh. (Bảng 7-1)

Bảng 7-1 Nhiệt độ môi trường

xung quanh (^oC)

10 15 20 25 30 35 40 45

K2 1,15 1,10 1,05 1 0,94 0,88 0,82 0,75 b. Kiểm tra thanh dẫn theo điều kiện ổn định nhiệt

Nhiệt độ thanh dẫn sau thời gian ngắn mạch (N) không được vượt quá nhiệt độ cho phép khi phát nóng ngắn hạn (cpN) cho ở bảng 7-2 .

Bảng 7-2 Vật liệu thanh dẫn cpN (^oC) Hệ số nhiệt độ  Đồng 300 6

Nhôm 200 11 Thép 400 15

a) b)

Hình 7- 2

(3)

Khi đã chọn tiết diện thanh dẫn theo điều kiện bình thường có thể kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt theo biểu thức:

Schọn  Smin =

C B_N

Trong đó: C: hệ số phụ thuộc vào vật liệu thanh dẫn.

CCu = 171; CAl = 88.

c. Kiểm tra điều kiện ổn định lực động điện Điều kiện : tt  cp

Trong đó:

cp: ứng suất cho phép của vật liệu thanh dẫn.

cp Cu = 1400 KG/cm².

cp Al = 700 KG/cm².

tt: ứng suất tính toán khi ngắn mạch, xác định như sau:

- Lực động điện Ftt tác động lên thanh dẫn khi ngắn mạch đối với thanh giữa.

^F^tt ^¹^,⁷⁶^.¹⁰^⁸^._a^l ^i.⁽^xk³⁾² ^KG Trong đó:

i⁽xk³⁾ : dòng ngắn mạch xung kích ba pha (A).

l : khoảng cách giữa 2 sứ đỡ thanh dẫn (cm).

a : khoảng cách giữa các pha (cm).( hình 7-4 )

- Moment uốn M tác động lên thanh dẫn.

cm . 10 KG

l.

M F^tt

- Ứng suất tính toán tt xác định theo biểu thức:

^^tt ^ _W^M ^KG^/^cm²

Trong đó: W: moment chống uốn của thanh dẫn theo chiều thẳng góc với phương lực tác dụng (cm³), xác định theo bảng 7-3 dưới đây.

Ghi chú:

n: Số lượng thanh dẫn ghép trên một pha.

b: Chiều dày thanh dẫn (cm).

h: Chiều rộng (cao).

D: đường kính ngoài tiết diện tròn (cm).

d: đường kính trong ống tròn (cm).

nếu thanh dẫn ghép, kẽ hở giữa hai thanh là b.

Hình 7-4 a

a l

(4)

Bảng 7-3

W Cách đặt

Thanh dẫn đơn hoặc ghép nằm

ngang 0,17 bh².n

Thanh dẫn đơn đặt đứng 0,17hb²

Thanh dẫn ghép hai thanh đặt

đứng 1,44 hb²

Thanh dẫn ghép ba thanh đặt

đứng 3,3 hb²

Thanh dẫn tròn 0,1D³

Thanh dẫn kiểu ống tròn ⁰^,¹⁽^D³ ^^d³⁾

Nếu phải xác định khoảng vượt giữa hai sứ đặt thanh dẫn có thể kiểm tra theo biểu thức:

(cm) f

W l 10

l _max ^cp





trong đó, f : lực động điện trên một đơn vị chiều dài 1cm.

cm / KG ai

10 1 . 7 , 1

f ^⁸ ⁽_xk³⁾²

- Kiểm tra dao động khi cộng hưởng:

r   Trong đó:  = 2f =314

r : tần số góc riêng của cấu trúc thanh dẫn, được xác định theo biểu thức:

r = ^. ^E^.^J_S^._.¹⁰_

l 56 ,

3 ⁶

2

Vơí S : tiết diện thanh dẫn , cm²

(5)

 : khối lượng riêng của vật liệu

Cu = 8,93 g/cm³

Al = 2,74 g/cm³

E : modul đàn hồi cuả vật liệu thanh dẫn EAl = 0,65.10⁶ kg/cm²

ECu = 1,1.10⁶ kg/cm²

J : momen quán tính cuả tiết diện thanh dẫn với trục thẳng góc với phương uốn, cm⁴.

2. Thanh dẫn ghép

Khi dòng điện lớn có thể ghép 2 hoặc 3 thanh dẫn đơn trên 1 pha. Kẽ hở giữa các thanh lấy bằng chiều dày b của thanh dẫn để thuận tiện cho lắp ghép (hình 7-4). Giữa các thanh dẫn có đặt miếng đệm để giữ chặt các thanh với nhau, bố trí ngay tại mỗi sứ đỡ và nếu cần tăng cường có thể thêm một số miếng đệm ở khoảng giữa 2 sứ đỡ; trong trường hợp này, khoảng cách giữa 2 đệm là l2 = l/m – với m: số miếng đệm. Các điều kiện tính toán như sau.

a. Theo dòng làm việc bình thường:

Icp.K1.K2.K3  Icb max

Trong đó:

K1, K2: các hệ số hiệu chỉnh tương tự khi chọn thanh dẫn đơn.

K3 : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào số thanh ghép và vật liệu thanh dẫn. Trong sổ tay thường đã cho sẵn trị cho phép tương ứng, nếu cần có thể xác định theo bảng 7-4.

Lưu ý: Đối với dòng xoay chiều chỉ nên ghép 2, nếu chưa thỏa mãn có thể dùng thanh góp hình máng hay ống tròn; vì ghép 3 hoặc 4 hiệu quả dẫn điện của thanh giữa kém, không lợi.

Bảng 7-4.

Trị số K3 với thanh dẫn

Hai thanh Ba thanh Bốn thanh

Hình 7-4 l₂ l

(6)

Kích thước tiết diện thanh dẫn

(mm²)

Đồng Nhôm Đồng Nhôm Đồng Nhôm

60 x 5 1,75 1,75 - - - -

60 x 6 1,7 1,75 2,3 2,45 2,9 3,1

60 x 8 1,7 1,7 2,25 2,4 2,8 3

60 x 10 1,7 1,7 2,25 2,4 2,7 2,95

80 x 6 1,7 1,75 2,25 2,4 2,8 3

80 x 8 1,65 1,7 2,2 2,35 2,7 2,9

80 x 10 1,6 1,65 2,15 2,3 2,6 2,9

100 x 6 1,65 1,7 2,2 2,35 2,7 2,95

100 x 8 1,6 1,7 2,1 2,3 2,6 2,9

100 x 10 1,55 1,6 2,05 2,25 2,5 2,8

b. Kiểm tra theo điều kiện ổn định nhiệt.

Tương tự như thanh dẫn đơn.

c. Kiểm tra theo điều kiện ổn định lực động điện.

Ngoài lực động điện giữa các pha, còn có lực động điện giữa các thanh trong cùng 1 pha nên ứng suất tính toán:

tt = 1 + 2  cp

1: ứng suất do lực động điện giữa các pha được xác định như trong thanh dẫn đơn với tiết diện bằng tổng tiết diện của các thanh vì được ghép chặt cứng với nhau như một thanh đơn.

2: ứng suất do lực động điện giữa các thanh trong cùng 1 pha F2 (đối với thanh dẫn ghép đôi )

) KG ( K

. b i 10 l . 26 , 0

F₂  ^⁸ ² ⁽_xk³⁾² _hd Trong đó:

l2 : khoảng cách giữa các miếng đệm.

b : kẽ hở giữa 2 thanh bằng chiều dày của thanh dẫn.

Khd: hệ số hình dáng phụ thuộc vào kích thước thanh dẫn (hình 7-5).



 







 

h b b h

b f a

k_hd ;

Moment uốn do F2 xác định như sau: khd

(7)

cm . 12 KG

l M₂  F² ²

và: 1,2 b/h = 

2 C

2 2 KG/cm

W

M

 1,1 5 2 1 1

với WC xác định theo bảng 7-4 0,9

0,8

0,7

0,6

Trong thực tế thường tính ngược đơn 0,5 0,5 giản hơn, bằng cách xác định số miếng 0,4 0,25 đệm cần đặt tức xác định l2 tối đa 0,3 0,1 (l2max) như sau: 0,2 0

2 cp = cp - 1 0,1

và

2 C cp 2 max

2 f

W

l 12

 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

( a-b)/(h+b) Do đó, số miếng đệm m được xác định:

max

l2

m l Hình 7-5. Đường cong xác định khd

d. Kiểm tra dao động khi cộng hưởng: tương tự đối với thanh góp đơn.

7-3. CHỌN DÂY DẪN

Dây dẫn điện cho các hộ tiêu thụ ở xa được chọn theo các điều kiện:

1. Theo dòng điện cho phép lâu dài

Icp.K1K2K3  Icb max

Trong đó: Icp, K1,K2, K3 tương tự như chọn thanh dẫn.

2. Theo mật độ kinh tế của dòng điện

kt max kt btj S  I

Trong đó, Ibtmax: dòng điện bình thường cực đại.

jkt : mật độ kinh tế của dòng điện, phụ thuộc vào vật liệu dây dẫn và thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax trong một năm, có thể xác định theo bảng 7-5.

(8)

Bảng 7-5 Loại dây dẫn Thời gian sử dụng công suất cực

đại Tmax (giờ)

<3000 30005000 >5000

Dây đồng trần 2,5 2,1 1,8

Dây nhôm trần 1,3 1,1 1

Cáp đồng cách điện bằng giấy bọc cao su 3 2,5 2 Cáp nhôm cách điện bằng giấy bọc cao su 1,6 1,4 1,2

Cáp đồng cách điện bằng cao su 3,5 3,1 2,7

Lưu ý: Với các dây dẫn ngắn trong trạm biến áp, không cần theo điều kiện jkt.

3. Theo điều kiện vầng quang Uvq  UHT

Trong đó, Uvq: điện áp phát sinh vầng quang, nếu dây dẫn 3 pha đặt trên 3 đỉnh tam giác đều có thể xác định theo biểu thức:

^U^vq ^⁸⁴^mr^.^lg_r^a ⁽^kV⁾

Với: Uvq tính theo trị hiệu dụng của điện áp dây m: hệ số xét đến độ xù xì của bề mặt dây dẫn.

m = 0,93  0,98 – với dây dẫn chỉ có một sợi.

= 0,83  0,87 – với dây dẫn gồm nhiều sợi bện lại.

r: bán kính ngoài của dây dẫn (cm).

a: khoảng cách giữa các trục dây dẫn (cm).

Khi các pha đặt nằm ngang, có thể xác định theo biểu thức trên nhưng giảm đi 4% đối với pha giữa và tăng 6% đối với pha trên.

Để tránh hiện tượng vầng quang , chọn thanh dẫn mềm phía cao áp sao cho Uvq > Uđm

- Nếu dẫn đi xa trong mạng điện phân phối đến 22kV, cần kiểm tra theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép.

Umax  Ucp

Kiểm tra ổn định nhiệt theo biểu thức:

^Schọn  ^Smin _C^B^N

Tương tự như đã trình bày ở phần chọn thanh dẫn.

(9)

7-4. CHỌN CÁP ĐIỆN LỰC

Cáp điện lực chọn theo các điều kiện sau:

1. Theo dòng điện cho phép lâu dài

qt max 3 cb

2 1

cp K

K I K K

I 

Trong đó,

- Kqt: hệ số quá tải, được xác định như sau: đối với cáp cách điện bằng giấy tẩm U  10 kV, khi bình thường dòng điện làm việc bé hơn 80% dòng cho phép đã hiệu chỉnh, khi cưỡng bức cho phép quá tải 30% nghĩa là Kqt = 1,3.

- K1 ; K2 : xác định giống như khi chọn dây dẫn .

- K3 : là hệ số phụ thuộc vào độ nghiên của cáp . 2. Theo điện áp cho phép

Uđm cáp  UHT

3. Theo mật độ kinh tế : tương tự như khi chọn dây dẫn Sch



kt bt

j I _._max

4. Theo phát nóng ngắn hạn : Sch ≥ Smin =

C B_N

Bảng tóm tắt các điều kiện chọn các phần dẫn điện :

Tiêu chuẩn chọn Dây dẫn Thanh dẫn Cáp điện lực Theo dòng điện lâu dài cho phép x x x

Theo mật độ kinh tế jkt x 0 x Theo phát nóng ngắn hạn x x x Theo ổn định lực động điện 0 x 0 Theo điện áp x 0 x