Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học - Võ Dương Tiển (1).Pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC MÔ PHỎNG ĐIỆN TRƯỜNG TRONG CÁP NGẦM TRUNG THẾ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN PGS TS Nguyễn Văn Dũng Võ[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

MÔ PHỎNG ĐIỆN TRƯỜNG

TRONG CÁP NGẦM TRUNG THẾ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

PGS.TS Nguyễn Văn Dũng Võ Dương Tiển (MSSV: B1806865)

Ngành: Kỹ thuật điện - Khóa: 44

Tháng 12/2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

MÔ PHỎNG ĐIỆN TRƯỜNG

TRONG CÁP NGẦM TRUNG THẾ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

PGS.TS Nguyễn Văn Dũng Võ Dương Tiển (MSSV: B1806865)

Ngành: Kỹ thuật điện - Khóa: 44

Tháng 12/2022

 LVTN

 TLTN

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 20…

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN

HỌC KỲ I, NĂM HỌC: 2022 – 2023

1 Họ và tên sinh viên: Võ Dương Tiển MSSV: B1806865

4 Họ và tên người hướng dẫn 1: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng

Họ và tên người hướng dẫn 2 (nếu có): ………

5 Mục tiêu của đề tài: tiến hành thí nghiệm thực tế mô hình phóng điện trên bề mặt cách điện XLPE, đồng thời sử dụng phần mềm mô phỏng điện trường và cường độ điện trường phân bố trong cáp ngầm trung thế nói chung Mục đích tìm hiểu và đánh giá mức độ ảnh hưởng của các khiếm khuyết xuất hiện trong quá trình sản xuất, vận hành, thi công lắp đặt cáp Từ đó đưa ra nhận xét, góp phần củng cố, bổ sung thêm kiến thức về cáp truyền tải ngầm, một vật liệu có vai trò quan trọng trong hệ thống điện trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng

6 Các nội dung chính và giới hạn của đề tài: mô phỏng sẽ tập trung vào các vấn đề

dễ dàng nhận thấy và rút ra được kết luận Phần thí nghiệm sẽ thực hiện phóng điện trên bề mặt lớp cách điện XLPE thuộc cấu trúc của cáp ngầm với cơ sở vật chất tại phòng thí nghiệm Vật liệu điện, Bộ môn Kỹ thuật điện, Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ, đáp ứng đủ yêu cầu về kỹ thuật và sự an toàn trong quá trình thí nghiệm

Các nội dung chính:

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan về điện trường và cáp ngầm trung thế

Chương 3: Thí nghiệm phóng điện

Chương 4: Mô phỏng điện trường

sẽ được Bộ môn Kỹ thuật điện góp ý và giúp đỡ

8 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: ………

Luận văn này, với đề tài là “Mô phỏng điện trường trong cáp ngầm trung thế”, do sinh viên Võ Dương Tiển thực hiện theo sự hướng dẫn của giảng viên

PGS.TS Nguyễn Văn Dũng Luận văn đã báo cáo và được hội đồng chấm luận văn thông qua ngày 16 tháng 12 năm 2022

Giảng viên phản biện 1 Giảng viên hướng dẫn

Chức danh Họ và tên giảng viên Chức danh Họ và tên giảng viên

Chủ tịch Hội đồng, giảng viên phản biện 2

Chức danh Họ và tên giảng viên

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1 Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng

2 Tên đề tài: “Mô phỏng điện trường trong cáp ngầm trung thế”

3 Họ và tên sinh viên: Võ Dương Tiển MSSV: B1806865 Email: tienb1806865@student.ctu.edu.vn ĐT: 0353831911

5 Nội dung nhật xét:

a Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh:

b Nhận xét về bản vẽ (nếu có):

c Nhận xét về nội dung của luận văn (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

* Các nội dung và công việc đã được (so sánh với đề cương của luận văn):

* Những vấn đề còn hạn chế:

d Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

e Kết luận và đề nghị:

6 Điểm đánh giá (cho từng sinh viên):

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 20…

Cán bộ hướng dẫn

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN 1

b Nhận xét về bản vẽ (nếu có):

c Nhận xét về nội dung của luận văn (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

* Các nội dung và công việc đã được (so sánh với đề cương của luận văn):

* Những vấn đề còn hạn chế:

d Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

e Kết luận và đề nghị:

6 Điểm đánh giá (cho từng sinh viên):

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 20…

Cán bộ chấm phản biện

TRƯỜNG BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN 2

b Nhận xét về bản vẽ (nếu có):

c Nhận xét về nội dung của luận văn (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

* Các nội dung và công việc đã được (so sánh với đề cương của luận văn):

* Những vấn đề còn hạn chế:

d Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

e Kết luận và đề nghị:

6 Điểm đánh giá (cho từng sinh viên):

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 20…

Cán bộ chấm phản biện

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả các quý thầy cô giảng viên thuộc Trường Bách Khoa, Đại học Cần Thơ nói chung và các thầy thuộc Khoa Kỹ thuật điện nói riêng Em cảm ơn thầy cô đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy và trang bị nhiều kiến thức quý giá cho em trong suốt những năm học đại học Ngoài ra em cũng rất biết ơn Trường Đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện cho em có một môi trường học tập

và nghiên cứu chất lượng trong những năm học vừa qua

Em xin gửi lời cảm ơn, tri ân sâu sắc đến Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Dũng

đã trau dồi cho em kiến thức, đã dành thời gian hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Cảm ơn tất cả anh chị, bạn bè, gia đình đã bên cạnh động viên và giúp đỡ hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Trong quá trình thực hiện luận văn do kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên còn nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô để kiến thức của bản thân em trở nên hoàn thiện hơn

Một lần nữa em chân thành cảm ơn !

Hệ thống truyền tải điện một chiều đang được phát triển mạnh hiện nay nhằm kết nối phụ tải với nguồn năng lượng phân tán, mục đích đồng bộ hóa giữa các mạng lưới HVAC khác nhau Xu hướng cáp được sử dụng hiện nay cho hệ thống HVDC là cáp có cách điện tổng hợp dựa trên vật liệu polyethylene, đặc biệt là cáp sử dụng cách điện polyethylene liên kết ngang (XLPE), dần thay thế cho cáp cách điện bằng giấy tẩm dầu do có một số lợi ích vượt trội như độ bền điện, tính chịu nhiệt cao Tuy nhiên, một trong những vấn đề quan trọng với các vật liệu tổng hợp này là cần phải ngăn chặn sự tích lũy điện tích, cường độ điện trường cao bên trong cấu trúc cáp, tác nhân gây ra hiện tượng phóng điện phá hủy vật liệu cách điện Phải hạn chế thấp nhất các hiện tượng khiếm khuyết sinh ra từ những tình huống khách quan như quá trình sản xuất, công tác thi công và môi trường,… để làm giảm cường độ điện trường, tăng tuổi thọ của vật liệu cách điện trong cáp ngầm Thế nên việc tính toán và giải quyết cường

độ điện trường một cách hoàn hảo, một trong các yếu tố chính gây ra các sự cố của cáp hay hệ thống truyền tải ngầm luôn được nghiên cứu phát triển từng ngày

Mục đích của đề tài luận văn này là tìm hiểu tổng quan về cáp ngầm trung thế

và vật liệu cách điện XLPE, cung cấp phương pháp mô phỏng điện trường, cường độ điện trường đối với các trạng thái làm việc khác nhau của cáp như chế độ làm việc bình thường, làm việc khi đang mang khiếm khuyết và thi công sai kỹ thuật Đồng thời cùng phần thí nghiệm phóng điện để đánh giá độ bền điện của vật liệu cách điện XLPE Từ đó, hiểu rõ hơn nguyên nhân hình thành các sự cố trong hệ thống truyền tải ngầm trung thế Nghiên cứu này dựa trên các dữ liệu thực, mô hình hóa vật liệu cách điện cấu thành nên cáp và thiết bị phụ kiện trên hệ thống sẽ được lấy từ trường hợp thực tế

Phương pháp mô phỏng trong bài được hỗ trợ trên phần mềm ANSYS Maxwell, một phần mềm phân tích điện trường và cường độ điện trường vô cùng hữu ích Phần mềm cho phép thực hiện nhiều bài toán phân tích với nhiều chế độ khác nhau dựa trên phương pháp PTHH Đây là phần mềm có độ chính xác cao với nhiều

ưu điểm, hiện đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế giới nhưng vẫn chưa được phổ biến ở Việt Nam Hy vọng bài luận này sẽ giúp người đọc có một cái nhìn tổng quát hơn về hệ thống truyền tải ngầm nói chung cũng như dây dẫn ngầm trung thế nói riêng, góp phần ôn lại và nâng cao kiến thức về điện trường trong việc xây dựng thiết kế liên quan đến điện áp cao, là cầu nối cho người đọc tiếp cận nhiều hơn về phần mềm ANSYS Maxwell, được đánh giá là một phần mềm hữu ích trong việc nghiên cứu và học tập

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

MỤC LỤC HÌNH iv

MỤC LỤC BẢNG viii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Giới hạn đề tài 2

1.4 Bố cục 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TRƯỜNG VÀ CÁP NGẦM TRUNG THẾ 4

2.1 Lược khảo tài liệu 4

2.2 Điện trường 6

2.2.1 Khái niệm 6

2.2.2 Tính toán điện trường 7

2.2.2.1 Công thức tính điện trường 7

2.2.2.2 Phương pháp tính toán điện trường 8

2.2.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn FEM 9

2.3 Cáp điện lực 11

2.3.1 Giới thiệu chung về cáp điện lực 11

2.3.2 Đặc tính chung 11

2.3.3 Phân loại cáp 15

2.3.3.1 Phân loại theo kết cấu cách điện 15

2.3.3.2 Phân loại theo vật liệu chế tạo lõi cáp 20

2.3.3.3 Phân loại theo nhiệm vụ 20

2.3.3.4 Nhận xét chung 20

2.4 Phụ kiện cáp điện lực 21

2.4.1 Giới thiệu chung 21

2.4.2 Hộp nối cáp 21

2.4.2.2 Phân loại hộp nối 21

2.4.2.3 Kỹ thuật thi công hộp nối 22

2.4.3 Đầu cáp 23

2.4.3.1 Chức năng nhiệm vụ của đầu cáp 23

2.4.3.2 Phân loại đầu cáp 23

2.4.3.3 Nguyên tắc chung của việc lắp đặt đầu cáp 24

2.4.3.4 Kỹ thuật thi công đầu cáp 24

2.4.4 Các phương pháp lắp đặt cáp điện lực phổ biến 28

2.5 Cáp ngầm trung thế sử dụng cách điện XLPE 29

2.5.1 Lõi dẫn 30

2.5.2 Lớp bán dẫn 30

2.5.3 Màn chắn kim loại 31

2.5.4 Cách điện của cáp 32

2.5.5 Vỏ cáp 33

2.5.6 Giáp kim loại 33

2.6 Đánh giá phân tích các sự cố cáp ngầm trung thế tại Việt Nam 33

2.6.1 Các sự cố do tác động cơ học từ bên ngoài 34

2.6.2 Các sự cố liên quan đến hộp nối và đầu cáp 34

2.6.3 Các sự cố do lão hóa cách điện 35

2.6.4 Phóng điện cục bộ 36

2.6.5 Kết luận và đánh giá 36

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM PHÓNG ĐIỆN 37

3.1 Mục đích thí nghiệm 37

3.2 Mẫu vật liệu thí thí nghiệm 38

3.3 Bố trí thí nghiệm và trình tự thí nghiệm 39

3.3.1 Bố trí thí nghiệm 39

3.3.2 Trình tự thí nghiệm 41

3.3.2.1 Thí nghiệm phóng điện trên bề mặt mẫu vật liệu hoàn hảo 41

3.3.2.2 Thí nghiệm phóng điện trên bề mặt mẫu vật liệu bị khiếm khuyết 42

3.4 Kết quả và thảo luận 47

3.4.1 Kết quả thí nghiệm phóng điện trên bề mặt cách điện hoàn hảo 47

3.4.2 Kết quả phóng điện trên bề mặt cách điện bị khiếm khuyết 49

3.4.3 Nhận xét chung 57

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG ĐIỆN TRƯỜNG 59

4.1 Tổng quan về phần mềm ANSYS/MAXWELL 59

4.1.1 Giới thiệu về phần mềm ANSYS 59

4.1.2 Giới thiệu về phần mềm ANSYS Maxwell 60

4.1.2.1 Đặc trưng 61

4.1.2.2 Tính ưu việt 61

4.1.2.3 Ứng dụng 62

4.2 Nội dung xây dựng mô phỏng 63

4.3 Mô phỏng cáp ngầm trung thế bằng phần mềm ANSYS Maxwell 65

4.3.1 Các bước tiến hành mô phỏng 66

4.3.1.1 Lựa chọn kiểu phân tích 66

4.3.1.2 Xây dựng mô hình 67

4.3.1.3 Thiết lập giá trị 69

4.3.1.4 Thiết lập nguồn 70

4.3.1.5 Cài đặt thông số 71

4.3.1.6 Cài đặt, kiểm tra và tiến hành mô phỏng 72

4.3.2 Nội dung và kết quả mô phỏng 73

4.3.2.1 Trường hợp 1 (cáp ngầm trung thế lý tưởng) 73

4.3.2.2 Trường hợp 2 (cáp ngầm trung thế bị khiếm khuyết) 79

4.3.2.3 Trường hợp 3 (thi công đầu cáp không đúng kỹ thuật) 84

4.3.2.4 Trường hợp 4 (mô phỏng các trường hợp thí nghiệm) 93

4.3.2.5 Đánh giá kết quả 103

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 103

5.1 Kết luận 103

5.2 Kiến nghị 103

5.3 Định hướng phát triển đề tài 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

MỤC LỤC HÌNH

Hình 2.1 Sự phát triển của cáp ngầm hiện nay [1], [2] 4

Hình 2.2 Mô hình mô phỏng cáp ngầm bằng phương pháp PTHH 5

Hình 2.3 Điện trường được tạo ra từ 2 điện tích điểm [5] 6

Hình 2.4 Sơ đồ phân loại điện trường 7

Hình 2.5 Các phần tử hữu hạn được sử dụng trong quá trình rời rạc: (a) Một chiều, (b) hai chiều và (c) ba chiều [6] 10

Hình 2.6 Cáp điện ngầm cách điện khô [8] 11

Hình 2.7 Cáp tẩm dầu 16

Hình 2.8 Cáp dầu 17

Hình 2.9 Cáp dầu dạng ống 17

Hình 2.10 Cáp cách điện khí 18

Hình 2.11 Thi công nối cáp ba pha 24 kV 22

Hình 2.12 Đầu cáp 3 pha, đầu cáp đơn pha 23

Hình 2.13 Cấu tạo đầu cáp co rút nguội 26

Hình 2.14 Đầu cáp Tplug và đầu cáp Elbow 27

Hình 2.15 Cấu tạo cáp ngầm trung thế cách điện XLPE 29

Hình 2.16 Cáp điện ngầm có và không có lớp bán dẫn trong [10] 31

Hình 2.17 Vật liệu cách điện trong cáp điện lực 32

Hình 2.18 Cấu trúc phân tử của XLPE 32

Hình 2.19 Sự cố thường gặp của cáp ngầm 34

Hình 3.1 Mẫu dây dẫn thay thế dùng làm thí nghiệm 38

Hình 3.2 Khu vực bố trí và tiến hành thí nghiệm 39

Hình 3.3 Máy biến áp dùng để thí nghiệm 40

Hình 3.4 Bàn điều khiển khu vực thí nghiệm 40

Hình 3.5 Mô hình phóng điện trên bề mặt cách điện hoàn hảo 41

Hình 3.6 Mô hình thực tế phóng điện trên bề mặt cách điện hoàn hảo 42

Hình 3.7 Mô hình phóng điện trên bề mặt cách điện gồ ghề 43

Hình 3.8 Mô hình phóng điện trên bề mặt cách điện có tạp chất cơ học 44

Hình 3.9 Mô hình thực tế phóng điện trên bề mặt cách điện có tạp chất 44

Hình 3.10 Mô hình phóng điện trên bề mặt cách điện bị ẩm nước 45

Hình 3.11 Tạo độ ẩm bề mặt cách điện và thiết bị đo độ ẩm 45

Hình 3.12 Mô hình thực tế phóng điện trên bề mặt cách điện bị ẩm nước 46

Hình 3.13 Bố trí thực tế phóng điện trên bề mặt có tạp chất vị trí 3/4 đã được tạo độ

ẩm 46

Hình 3.14 Ảnh vầng quang khi phóng điện trên bề mặt cách điện hoàn hảo 47

Hình 3.15 Bề mặt cách điện hoàn hảo sau khi phóng điện 47

Hình 3.16 Đồ thị điện áp phóng điện trung bình trên bề mặt cách điện hoàn hảo 48

Hình 3.17 Ảnh vầng quang khi phóng điện trên bề mặt cách điện gồ ghề 49

Hình 3.18 Ảnh bề mặt cách điện gồ ghề sau khi phóng điện 50

Hình 3.19 Biểu đồ so sánh điện áp phóng điện giữa bề mặt cách điện hoàn hảo và bề mặt cách điện gồ ghề 51

Hình 3.20 Ảnh phóng điện trên bề mặt cách điện có tạp chất cơ học 51

Hình 3.21 Ảnh bề mặt cách điện có tạp chất cơ học sau khi phóng điện 52

Hình 3.22 Biểu đồ điện áp phóng điện trung bình giữa các vị trí tạp chất khác nhau 53

Hình 3.23 Ảnh phóng điện trên bề mặt cách điện bị ẩm nước 53

Hình 3.24 Ảnh bề mặt cách điện bị ẩm nước sau khi phóng điện 54

Hình 3.25 Đồ thị điện áp phóng điện trên bề mặt cách điện bị ẩm nước 55

Hình 3.26 Ảnh phóng điện trên bề mặt cách điện có khiếm khuyết kết hợp 55

Hình 3.27 Ảnh sau khi phóng điện trên bề mặt cách đị khiếm khuyết kết hợp 56

Hình 3.28 Đồ thị điện áp phóng điện trường hợp bị ẩm nước và trường hợp khiếm khuyết kết hợp 57

Hình 3.29 Biểu đồ so sánh điện áp phóng điện trung bình giữa các trường hợp thí nghiệm có khoảng cách điện cực 110 mm 57

Hình 4.1 Màn hình khởi động ANSYS 59

Hình 4.2 ANSYS Maxwell giao diện mô phỏng 2D 60

Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán phân tích của phần mềm ANSYS Maxwell 61

Hình 4.4 Giao diện mô phỏng 2D của phần mềm ANSYS Maxwell 63

Hình 4.5 Cáp ngầm trung thế một lõi do Việt Nam sản xuất [11] 64

Hình 4.6 Giao diện rỗng trước khi chọn Project phù hợp 66

Hình 4.7 Giao diện chọn kiểu phân tích 67

Hình 4.8 Thanh công cụ để xây dựng mô hình 68

Hình 4.9 Dạng mô hình mô phỏng cáp điện ngầm 68

Hình 4.10 Giao diện thiết lập loại vật liệu 69

Hình 4.11 Bảng cài đặt loại vật liệu 69

Hình 4.12 Thiết lập nguồn 71

Hình 4.13 Cách cài đặt thông số 71

Hình 4.14 Cách cài đặt giải pháp xử lý 72

Hình 4.16 Phân bố điện áp trường hợp 1.1 (điện áp 17,96 kV) 74

Hình 4.17 Phân bố cường độ điện trường trường hợp 1.1 (điện áp 17,96 kV) 74

Hình 4.18 Đồ thị phân bố điện áp trường hợp 1.1 (điện áp 17,96 kV) 75

Hình 4.19 Đồ thị phân bố cường độ điện trường trường hợp 1.1 (điện áp 17,96 kV) 75

Hình 4.20 Phân bố điện áp và cường độ điện trường trường hợp 1.2 (điện áp 24 kV) 76

Hình 4.21 Đồ thị phân bố điện áp trường hợp 1.2 (điện áp 24 kV) 76

Hình 4.22 Đồ thị phân bố cường độ điện trường trường hợp 1.2 (điện áp 24 kV) 77

Hình 4.23 Đồ thị so sánh cường độ điện trường (Trường hợp 1) 77

Hình 4.24 Mô hình xây dựng mô phỏng trường hợp 2 79

Hình 4.25 Phân bố điện áp trường hợp 2 (điện áp 17,96 kV) 80

Hình 4.26 Phân bố điện áp trong bọt khí trường hợp 2 (điện áp 17,96 kV) 80

Hình 4.27 Đường đẳng điện thế phân bố trong bọt khí (điện áp 17,96 kV) 81

Hình 4.28 Phân bố cường độ điện trường trường hợp 2 (điện áp 17,96 kV) 81

Hình 4.29 Phân bố cường độ điện trường trong bọt khí (điện áp 17,96 kV) 82

Hình 4.30 Đồ thị phân bố điện áp trường hợp 2 (điện áp 17,96 kV) 82

Hình 4.31 Đồ thị phân bố cường độ điện trường trường hợp 2 (điện áp 17,96 kV) 83 Hình 4.32 Đồ thị phân bố cường độ điện trường (Trường hợp 1.1 và 2.1) 83

Hình 4.33 Phân bố điện trường có kiểm soát và không có kiểm soát [17] 85

Hình 4.34 Ví dụ về thi công lắp đặt đầu cáp đúng kỹ thuật theo hướng dẫn [18] 85

Hình 4.35 Ví dụ về thi công lắp đặt đầu cáp sai kỹ thuật 86

Hình 4.36 Sự cố đầu cáp thi công sai kỹ thuật [19] 86

Hình 4.37 Kích thước hướng dẫn lắp đặt đầu cáp [18] 86

Hình 4.38 Mô hình xây dựng mô phỏng đầu cáp (Trường hợp 3) 87

Hình 4.39 Kết quả phân bố điện áp trường hợp 3 (điện áp 17,96 kV) 88

Hình 4.40 Phân bố điện áp tại mép cắt lớp bán dẫn trường hợp 3 (điện áp 17,96 kV) 88

Hình 4.41 Phân bố điện áp và đường đẳng điện thế tại mép cắt lớp bán dẫn trường hợp 3 (điện áp 17,96 kV) 89

Hình 4.42 Phân bố cường độ điện trường trường hợp 3.1 (điện áp 17,96 kV) 89

Hình 4.43 Phân bố cường độ điện trường trường hợp 3.2 (điện áp 17,96 kV) 90

Hình 4.44 Phân bố cường độ điện trường trường hợp 3.3 (điện áp 17,96 kV) 90

Hình 4.45 Phân bố cường độ điện trường tại mép cắt bán dẫn trường hợp 3 (điện áp 17,96 kV) 91

Hình 4.46 Đồ thị phân bố điện áp trường hợp 3 (điện áp 17,96 kV) 91

Hình 4.47 Đồ thị phân bố cường độ điện trường trường hợp 3 (điện áp 17,96 kV) 92

Hình 4.48 Mô hình mô phỏng tiêu biểu cho trường hợp 4.1 và trường hợp 4.2 93 Hình 4.49 Phân bố cường độ điện trường (khoảng cách điện cực 10 mm, điện áp 9,617 kV) 94 Hình 4.50 Phân bố cường độ điện trường (khoảng cách điện cực 20 mm, điện áp 17,065 kV) 95 Hình 4.51 Phân bố cường độ điện trường (khoảng cách điện cực 30 mm, điện áp 26,187 kV) 95 Hình 4.52 Phân bố cường độ điện trường (khoảng cách điện cực 40 mm, điện áp 32,056 kV) 95 Hình 4.53 Phân bố cường độ điện trường (khoảng cách điện cực 50 mm, điện áp 38,066 kV) 96 Hình 4.54 Phân bố cường độ điện trường (khoảng cách điện cực 70 mm, điện áp 53,552 kV) 96 Hình 4.55 Phân bố cường độ điện trường (khoảng cách điện cực 90 mm, điện áp 59,939 kV) 96 Hình 4.56 Phân bố cường độ điện trường (khoảng cách điện cực 110 mm, điện áp 67,717 kV) 97 Hình 4.57 Đồ thị phân bố cường độ điện trường trên bề mặt cách điện ứng với điện

áp phóng điện trung bình bảng 3.2 97 Hình 4.58 Đồ thị cường độ điện trường trên bề mặt cách điện hoàn hảo 98 Hình 4.59 Phân bố cường độ điện trường tại cực hạ thế, vị trí tạp chất 1/4 (điện áp 58,926 kV) 99 Hình 4.60 Phân bố cường độ điện trường tại cực hạ thế, vị trí tạp chất 1/2 (điện áp 58,926 kV) 100 Hình 4.61 Phân bố cường độ điện trường tại cực hạ thế, vị trí tạp chất 3/4 (điện áp 58,926 kV) 100 Hình 4.62 Đồ thị phân bố cường độ điện trường trên bề mặt cách điện có tạp chất vị trí 1/4 101 Hình 4.63 Đồ thị phân bố cường độ điện trường trên bề mặt cách điện có tạp chất vị trí 1/2 101 Hình 4.64 Đồ thị phân bố cường độ điện trường trên bề mặt cách điện có tạp chất vị trí 3/4 102

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1 Những thành phần cấu tạo cáp điện lực được IEC quyết định [9] 12

Bảng 2.2 Giới thiệu về chất liệu lõi dẫn 30

Bảng 2.3 Tính chất của vật liệu dẫn điện phổ biến 30

Bảng 2.4 Những yếu tố lão hoá gây hư hỏng cách điện 35

Bảng 3.1 Thông số dây dẫn thay thế dùng làm thí nghiệm 38

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm phóng điện trên bề mặt cách điện hoàn hảo 48

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm phóng điện trên bề mặt cách điện gồ ghề 50

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm phóng điện trên bề mặt cách điện có tạp chất cơ học 52

Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm phóng điện bề mặt cách điện bị ẩm nước 54

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm phóng điện bề mặt cách điện bị ẩm nước cộng với tạp chất cơ học vị trí 3/4 56

Bảng 4.1 Thông số mẫu cáp dùng để mô phỏng từ catalog của nhà sản xuất và theo tiêu chuẩn Việt Nam (IEC 60502-2:2014/ TCVN 5935-2:2013) [13], [15], [16] 64

Bảng 4.2 Thông số thiết lập mô phỏng 70

Bảng 4.3 So sánh cường độ điện trường giữa trường hợp 1.1 và 1.2 78

Bảng 4.4 Cường độ điện trường trung bình trong lớp cách điện XLPE 78

Bảng 4.5 So sánh cường độ điện trường (Trường hợp 2.1, 2.3, 2.4) 84

Bảng 4.6 So sánh cường độ điện trường trong bọt khí (Trường hợp 2) 84

Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật đầu cáp [20] 87

Bảng 4.8 Kết quả mô phỏng cường độ điện trường ứng với điện áp phóng điện trung bình bảng 3.2 97

Bảng 4.9 Bảng so sánh cường độ điện trường giữa các vị trí tạp chất 102

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AC Alternating current Dòng điện xoay chiều

DC Direct current Dòng điện một chiều

FEM Finite Element Methods Phương pháp phần tử hữu hạn HVAC High Voltage Alternating

Current

Hệ thống cao áp xoay chiều

HVDC High Voltage Direct Current Hệ thống cao áp một chiều

IEC International Electrotechnical

Commission

Ủy ban Kỹ Thuật Điện Quốc Tế

LNG Liquefied Natural Gas Khí thiên nhiên hóa lỏng

PD Partial Discharge Phóng điện cục bộ

PDE Partial Differential Equations Phương pháp vi phân từng phần

PE Polyethylene

PVC Polyvinyl Clorua

SF6 Sulfur Hexafluoride Khí SF6

XLPE Cross Linked Polyethylene Polyethylene liên kết ngang

HDPE High Density Polyethylene

Hiện nay, việc truyền tải điện áp cao chủ yếu nhờ vào cáp trần cùng hệ thống cách điện trên không vì phạm vi truyền tải xa và các yếu tố kỹ thuật liên quan Ngoài cáp trần vẫn còn nhiều loại cáp có vỏ bọc cách điện, trong đó có cáp ngầm Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng sẽ chọn phương án tối ưu và hiệu quả nhất Cáp ngầm được nhắc đến trong các hệ thống truyền tải từ mức trung thế trở lên, được dùng để truyền tải điện áp cao nhưng khoảng cách ngắn hơn so với nhu cầu của cáp trần hoặc truyền tải xuyên biển và trong đô thị, đáp ứng yếu tố mỹ quan, an toàn và thi công Có thể thấy từ khi cáp ngầm xuất hiện đã mang lại rất nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống truyền tải cũ và hơn thế là cáp sử dụng cách điện XLPE Nhưng trong một số trường hợp không mong muốn đã xuất hiện vấn đề đứt hay cháy nổ cáp ngầm, hiện tượng vô cùng nguy hiểm cộng với nhiều ảnh hưởng đến hệ thống điện đang vận hành như gián đoạn thời gian sản xuất, thời gian sử dụng điện, ảnh hưởng đến kinh tế của

cá nhân và doanh nghiệp,…

Việc lắp đặt cáp ngầm không bao giờ là dễ dàng, nếu như có sự cố thì việc khắc phục sẽ tương đối khó khăn Vì vậy làm thế nào để tính toán, sản xuất và thi công cáp một cách hiệu quả nhất, hạn chế xuất hiện các sự cố ảnh hưởng đến hệ thống truyền tải luôn được đặt lên hàng đầu Với sự quan trọng của hệ thống truyền tải ngầm

và cáp điện ngầm trong mạng lưới điện hiện nay hoặc sự phát triển trong tương lai

Để nắm vững và tìm hiểu rõ hơn, sinh viên chọn đề tài “Mô phỏng điện trường trong cáp ngầm trung thế” cho luận văn tốt nghiệp của mình

1.3 Giới hạn đề tài

Mô phỏng chỉ tập trung vào các vấn đề dễ dàng nhận thấy và rút ra được kết luận Phần thí nghiệm sẽ thực hiện phóng điện trên bề mặt lớp cách điện XLPE thuộc cấu trúc của cáp ngầm với cơ sở vật chất tại phòng thí nghiệm Vật liệu điện, Khoa

Kỹ thuật điện, Trường Bách Khoa, Trường Đại học Cần Thơ

1.4 Bố cục

Bố cục luận văn gồm 5 chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1: Giới thiệu

Giới thiệu tính cấp thiết, tầm quan trọng cũng như ý nghĩa của chủ đề từ đó nêu lên lý do lựa chọn đề tài Nội dung bao gồm đối tượng nghiên cứu, phương pháp thực hiện và mục tiêu nghiên cứu sẽ đạt được Bên cạnh đó ở chương này cũng nêu lên những giới hạn của đề tài và khái quát bố cục của luận văn

Chương 2: Tổng quan về điện trường và cáp ngầm trung thế

Trình bày nội dung tổng quan, các cơ sở lý thuyết, các chỉ tiêu, công thức tính toán, các khái niệm quan trọng nhất liên quan đến vấn đề nghiên cứu (dựa vào các lý thuyết, nghiên cứu từ trước đến nay) giúp người đọc hiểu được nghiên cứu của tác

Chương 3: Thí nghiệm phóng điện

Chương này trình bày các thí nghiệm thực tế được tiến hành trong luận văn bao gồm: giới thiệu chung, cách tiến hành và kết quả thí nghiệm phóng điện trên bề mặt mẫu vật liệu chuẩn và khiếm khuyết Từ đó rút ra được kết luận rằng nếu bề mặt cách điện có xuất hiện khiếm khuyết thì sự cố phóng điện sẽ dễ dàng xuất hiện hơn

so với nguyên thể cấu trúc cáp ban đầu

Chương 4: Mô phỏng điện trường

Giới thiệu phần mềm dùng để mô phỏng trong đề tài đó là ANSYS Maxwell Trình bày chi tiết về cách sử dụng phần mềm, phương pháp mô phỏng, mục đích và kết quả thu được thông qua hình ảnh, đồ thị trực quan từ phần mềm và bảng số liệu

Từ đó rút ra nhận xét và kết quả của đề tài nghiên cứu

Chương 5: Kết luận

Căn cứ vào kết quả chính của nghiên cứu để đưa ra các kết luận trong mối liên

hệ với mục tiêu của nghiên cứu Cùng với đó là các kiến nghị phổ biến phần mềm ANSYS Maxwell cho sinh viên Đại học Cần Thơ và các đối tượng liên quan với lĩnh vực của đề tài và đề xuất đề tài cho các nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TRƯỜNG VÀ CÁP NGẦM TRUNG THẾ

2.1 Lược khảo tài liệu

Ngành điện là một trong những ngành công nghiệp cơ sở quan trọng nhất đối với bất kỳ quốc gia nào, đặc biệt là trong những nước đang phát triển như nước ta Trong hệ thống điện nói chung thì hệ thống các đường dây truyền tải từ mức trung thế trở lên đóng một vai trò to lớn Trước kia các hệ thống đường dây truyền tải thường là các đường dây trên không với hệ thống cột đỡ từ 1 mạch 3 dây đến thậm chí là 4 mạch 12 dây dẫn Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển nhanh của đất nước đã hình thành rất nhiều các thành phố lớn, dân cư đông đúc với nhiều công trình và tòa nhà cao tầng, và đặc biệt là đòi hỏi nhu cầu về thẩm mỹ của các thành phố hiện đại nên việc xây dựng các đường dây truyền tải trên không gặp không

ít khó khăn Do đó việc đổi mới truyền tải bằng hệ thống cáp ngầm đã trở thành một phần tất yếu của các hệ thống điện hiện đại trong các thành phố và tiểu biểu chính là cáp ngầm sử dụng cách điện XLPE (Hình 2.1) [1], [2]

Hình 2.1 Sự phát triển của cáp ngầm hiện nay [1], [2]

Đi đôi với sự phát triển trên cũng là những vấn đề đáng lo ngại đã và đang

hoạt động sau khi thử nghiệm đạt tiêu chuẩn Việt Nam hoặc IEC, dù đã kiểm tra cáp đạt tiêu chuẩn cũng không hoàn toàn đảm bảo về độ tin cậy của hệ thống truyền tải cáp ngầm Việc vận hành tốt của cáp còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như môi trường, kỹ thuật,… Thử nghiệm chỉ cho kết quả tại thời điểm tiến hành mà sự cố lại được hình thành trong một khoảng thời gian khi đạt được giá trị nhất định rồi mới xảy ra Vì vậy hiện nay khi thiết kế người ta thường tính toán đến cả phương án tối

ưu cho cáp có tồn tại khiếm khuyết trong thời gian hoạt động Những khiếm khuyết gây sự cố cáp ngầm trên cơ sở khoa học được phân tích phổ biến như: trong lớp cách điện có bọt khí, hơi ẩm xâm nhập, bị tác động cơ học từ bên ngoài,… [3]

Nhận thấy việc tìm hiểu và phân tích khiếm khuyết của cáp ngầm có tính khoa học cao nhưng nhiều đề tài hoặc báo khoa học hiện nay chỉ thực hiện với cấu trúc cáp đơn giản nhằm đánh giá phân bố cường độ điện trường bên trong cách điện, yếu tố chính gây ra sự cố của cáp ngầm [4] Đề tài luận văn này sẽ thực hiện với cấu trúc đầy đủ của cáp để kết quả thực tế hơn, tìm hiểu và phân tích về cáp ngầm có tồn tại khiếm khuyết sẽ ảnh hưởng như thế nào đến cách điện trong cáp và nguyên nhân xảy

ra sự cố (Hình 2.2) Tìm hiểu thêm về việc thi công cáp sai kỹ thuật bằng phương pháp PTHH và thí nghiệm phóng điện trên bề mặt cáp có khiếm khuyết, một trong những nguyên nhân gây ra sự cố cáp ngầm phổ biến hiện nay

Hình 2.2 Mô hình mô phỏng cáp ngầm bằng phương pháp PTHH

2.2 Điện trường

2.2.1 Khái niệm

Điện trường là một dạng vật chất bao quanh các điện tích, điện trường sẽ tác dụng lực điện lên các điện tích khác đặt trong nó Nơi nào có điện tích thì xung quanh các điện tích đó sẽ có lực điện trường Điện trường là một đại lượng có hướng và được biểu diễn thông qua vectơ cường độ điện trường Cường độ điện trường tại một điểm được định nghĩa là đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường tại chính điểm đó (Hình 2.3)

Hình 2.3 Điện trường được tạo ra từ 2 điện tích điểm [5]

Đại lượng này được xác định bằng thương số giữa độ lớn của lực điện F tác dụng lên một điện tích thử q (dương) tại điểm đó với độ lớn của q

E = F

Đơn vị đo cường độ điện trường là Vôn trên mét, ký hiệu là V/m

Cường độ điện trường tại một điện tích điểm được tính theo công thức:

ε: là ký hiệu của hằng số điện môi trong môi trường

r: là khoảng cách tính từ điện tích tới điểm xét

Dựa vào hình dạng phân bố, điện trường có thể được phân loại thành hai loại

đó là: điện trường đều (đồng nhất) và không đều (không đồng nhất) (Hình 2.4)

Trong điện trường đều, điện thế được phân bố tuyến tính Đường đẳng điện thế và đường sức điện tạo thành các hình vuông hoàn hảo trong khe hở điện cực Trong điện trường đồng nhất, điện áp đánh thủng bằng điện áp phóng điện cục bộ Mức độ không đồng nhất của điện trường bằng 1

Đối với điện trường không đều, điện thế phân bố rất không tuyến tính trong chất cách điện giữa các điện cực Sự phóng điện đánh thủng chất cách điện trong điện trường không đều luôn xảy ra sau phóng điện cục bộ ổn định Do đó, điện áp phóng điện đánh thủng lớn hơn nhiều so với điện áp bắt đầu vầng quang Dạng điện trường này được xác định là rất quan trọng vì nó là loại điện trường có hại nhất trong hệ thống nhưng vẫn hiện diện rất rộng rãi

Hình 2.4 Sơ đồ phân loại điện trường

2.2.2 Tính toán điện trường

2.2.2.1 Công thức tính điện trường

Kiến thức về cường độ và sự phân bố của điện trường là rất quan trọng khi thiết kế cách điện trong thiết bị điện cao áp Các công thức Maxwell là công cụ cơ bản để tính toán trong lĩnh vực của trường điện từ Các phương trình này mô tả sự kết nối giữa cường độ vectơ điện trường E⃗⃗ , vectơ cảm ứng điện D⃗⃗ , vectơ cường độ từ trường H⃗⃗ và vectơ cảm ứng từ trường B⃗⃗

Các phương trình của Maxwell cho thấy rằng nếu các trường vector này không thay đổi theo thời gian, sẽ không có sự tương tác tác giữa chúng với trường điện mà

là trường tĩnh Trong chất cách điện không tổn hao, mối quan hệ giữa cảm ứng điện

D và tổng điện tích Q được cho bởi phương trình sau:

Trong đó, pv là mật độ diện tích khối (C/m3)

Mối quan hệ giữa cường độ điện trường và điện thế:

E

∫baE⃗⃗ ds = −∫ba(gradϕ)ds = ϕb − ϕa = Uba (2.6) Trong đó:

εr: hằng số điện môi tương đối của vật liệu

ε0= 8,85.10-12 (F/m): hằng số điện môi của chân không

ϕaϕb: điện thế tại điểm a và b

Uab: hiệu điện thế giữa hai điểm a và b

2.2.2.2 Phương pháp tính toán điện trường

Phương pháp được sử dụng nhiều là phương pháp phân ly biến số Thực tế của phương pháp này là ta giả thiết nghiệm là tích của các hàm chỉ phụ thuộc một biến

Trong hệ tọa độ vuông góc giả thiết hàm thế φ là tích của ba hàm X(x); Y(y);

Z(z) là các hàm tương ứng của biến số x; y; z

Phương pháp số: trong những năm gần đây, để giải phương trình Poisson và Laplace trong các điều kiện bờ và biên phức tạp, người ta thường sử dụng các phương pháp số Tùy vào mức độ khó dễ của các điều kiện bờ mà người ta sử dụng phương pháp thích hợp

Phương pháp mô phỏng điện tích: nguyên lý của phương pháp này là dựa trên nguyên lý xếp chồng điện thế Nội dung chính của phương pháp này là: từ những miền j có điện thế đã biết (nhờ điều kiện biên) ta thay thế bằng các điện tích Qj (mô phỏng điện tích) Sau khi thay thế thì mỗi điện tích Qj gây ra xung quanh nó một điện trường thế đã biết, ta sử dụng nguyên lý xếp chồng sẽ tính được phân bố điện thế trong toàn vùng

Ưu điểm của phương pháp này là có thể áp dụng với điều kiện bờ Dirichlet (điều kiện mà các đại lượng ở vô cực bằng không) dùng được cho mọi bề mặt cong Nhưng khó khăn chính của phương pháp này là việc lựa chọn loại điện tích mô phỏng thích hợp, không thể giải quyết được khi bài toán có nhiều điện môi

2.2.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn - FEM là một phương pháp có tính ứng dụng cao để xử lý các vấn đề liên quan đến các đối tượng có hình dạng phức tạp và không đồng nhất [6] FEM dựa trên công thức vi phân của các phương trình Maxwell, trong

đó không gian trường hoàn chỉnh bị chia thành rời rạc Thực chất của phương pháp FEM là phân chia miền của bài toán nghiên cứu thành những miền con có kích thước hữu hạn Trên mỗi miền con (còn gọi là phần tử hữu hạn) hàm cần tìm được làm gần đúng bằng một đa thức có bậc từ 1 đến 6 Các phần tử hữu hạn có thể là các đoạn, tam giác, tứ giác thẳng hoặc cong (Hình 2.5)

Hình 2.5 Các phần tử hữu hạn được sử dụng trong quá trình rời rạc: (a) Một chiều,

(b) hai chiều và (c) ba chiều [6]

Phương pháp này được áp dụng trong cả miền thời gian và tần số Trong phương pháp này, các phương trình vi phân từng phần partial differential equations (PDE) được giải bằng cách chuyển đổi thành các phương trình dạng ma trận [7] Phương pháp FEM dựa trên nguyên lý tổng quát cho phép nghiên cứu hành vi của các hệ thống vật lý là nguyên tác “tác động cực tiểu” còn gọi là nguyên lý Hamilton Theo nguyên lý này mọi hệ thống vật lý tồn tại và phát triển theo quy luật sao cho biến thiên các thông số đặc trưng cho năng lượng của hệ là cực tiểu

Nguyên lý này được áp dụng rất hiệu quả trong lĩnh vực điện tử, nếu quan tâm tới cân bằng tĩnh của thiết bị điện tử, năng lượng của hệ hoàn toàn xác định nếu ta biết điện thế tại mọi điểm Để hệ cân bằng thì năng lượng từ của hệ có giá trị cực tiểu Nếu hệ ở trạng thái tĩnh thì mọi biến thiên của trường điện từ quanh vị trí cân bằng sao cho công của các lực điện từ bằng không Bằng cách tìm cực trị của phiếm hàm biểu diễn cho năng lượng của hệ, ta được hệ phương trình đại số với các ẩn là các thông số của hệ thống điện từ tại các nút cần tìm

Thực chất của phương pháp phần tử hữu hạn là phân chia miền bài toán nghiên cứu thành các miền con có kích thước hữu hạn Trên mỗi miền con (còn gọi là phần

tử hữu hạn) hàm cần tìm được làm gần đúng bằng một đa thức có bậc từ một đến sáu Các phần tử hữu hạn có thể là các đoạn, tam giác, tứ giác thẳng hoặc cong Việc phân chia miền bài toán thành các phần tử hữu hạn nên tuân theo một số nguyên tắc thuận tiện cho quá trình nghiên cứu

Ưu điểm: có thể tính toán cho hệ thống có các điều kiện bờ, hình dạng phức tạp, áp dụng được mọi môi trường không đồng nhất Hình dạng và kích thước của những phần tử có thể lựa chọn để điền đầy bờ của bài toán Phương pháp này có thể

sử dụng trong các trường hợp vật liệu dẫn điện Về phần nhược điểm của phương pháp này chính là số lượng tính toán lớn cần nhiều bộ nhớ để lưu trữ kết quả

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của tốc độ xử lý và khả năng lưu trữ bộ nhớ của máy tính, người ta có thể áp dụng rộng rãi phương pháp phần tử hữu hạn trong các bài toán tính toán điện trường có điều kiện bờ phức tạp và mang lại kết quả chính xác cao

2.3 Cáp điện lực

2.3.1 Giới thiệu chung về cáp điện lực

Cáp ngầm là dây dẫn điện mềm được bọc cách điện và bọc vỏ kim loại hoặc vật liệu polymer để ngăn chặn các tác động bên ngoài đối với cách điện như chênh lệch nhiệt độ cao, ngâm trong nước, (Hình 2.6) Chúng phải chịu sự thay đổi nhiệt

độ lớn do dòng điện làm việc và điều kiện nhiệt độ môi trường Khi đã lắp đặt xong cáp phải vận hành tin cậy trong nhiều năm

Cấu tạo của cáp gồm một hay nhiều dây dẫn chính (lõi dẫn) cách điện với đất

và cách điện giữa các lõi với nhau, vỏ kim loại và các lớp bọc bảo vệ

Hình 2.6 Cáp điện ngầm cách điện khô [8]

2.3.2 Đặc tính chung

Đối với cáp điện lực hay cáp ngầm nói riêng, nếu sử dụng lõi nhôm có tính dẫn điện kém thì sẽ phải dùng cáp có tiết diện lớn hơn và không có tính tản nhiệt tốt Điều này sẽ làm tăng chi phí lắp đặt đường cáp Do đó ngày nay người ta thường sử dụng đồng, có tính dẫn điện tốt làm lõi dẫn cho cáp, đặc biệt là cáp ngầm Khi yêu cầu lõi tiết diện lớn từ 600 – 800 mm2 (khi đó tiết diện đạt tiêu chuẩn của cáp dầu

khoảng 1000 mm2), đặc tính uốn cơ học của lõi dẫn cần phải được tăng cường Lõi dẫn tròn, bện, nén, chia múi thường được sử dụng rộng rãi Lõi dẫn này bao gồm sự kết hợp của nhiều múi dạng nén, được cách điện với nhau bằng vật liệu cách điện, ví

dụ giấy cách điện Cáp dầu đơn lõi có một ống dầu ở trung tâm, gọi là lõi dẫn bện, tròn, rỗng Loại lõi này bị ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt lớn hơn so với lõi dẫn bện, tròn thông thường

Tất cả các phần của cáp và bản thân cáp phải có độ bền dẻo cần thiết để có thể

dễ dàng cuộn, dễ dàng trong vận chuyển, bảo quản và uốn theo địa hình khi thi công Chính vì thế lõi cáp phải là dây xoắn từ nhiều dây nhỏ

Cách điện của cáp phải gánh chịu toàn bộ trọng lượng của dây (lõi) hoặc các ứng lực uốn cáp khi cuộn cáp hoặc trong quá trình lắp đặt Vì thế cách điện của cáp yêu cầu phải có độ uốn và độ bền cơ giới cần thiết Vật liệu cách điện dùng trong cáp phải là vật liệu có phẩm chất tốt (độ bền cách điện cao), để giảm kích thước của cáp đồng thời phải có độ bền cơ giới trong phạm vi biến thiên tương đối rộng của nhiệt

độ Độ bền cách điện của vật liệu cách điện cho phép giảm chiều dày cách điện, từ

đó không chỉ giảm chi phí cách điện và các vật liệu của lớp vỏ bọc mà còn cải thiện điều kiện tản nhiệt và làm tăng dòng điện cực đại cho phép của cáp, cáp trở nên mềm dẻo hơn

Do tính chất các đường cáp cao áp thường đặt ngầm nên có các yêu cầu rất cao về độ tin cậy làm việc bởi đối với cách điện của các đường dây cao áp thì việc tìm kiếm các điểm sự cố và khắc phục tốn nhiều thời gian và công sức Cũng cần nhấn mạnh rằng các đường cáp cao áp từ nhiều đoạn khác nhau bởi những đầu nối cáp, mà những điểm nối này được thực hiện tại hiện trường thi công thường kém hơn rất nhiều so với thực hiện tại nhà máy chế tạo cáp

Bảng 2.1 Những thành phần cấu tạo cáp điện lực được IEC quyết định [9]

Lõi cáp (của một dây cáp) Có chức năng là dòng dẫn điện

Lõi trần Là lõi bằng kim loại trong đó các sợi không phủ

thêm một lớp kim loại nào khác

Lõi có vỏ bọc bằng kim

loại

Là lõi có từng sợi riêng lẻ được bọc bằng một lớp mỏng kim loại khác hoặc hợp kim

Lõi mạ thiếc Là lõi được tráng một lớp thiếc

Lõi lưỡi kim Là lõi gồm nhiều sợi cấu tạo thành mà mỗi sợi có

phần bên trong là một kim loại, còn phần bên ngoài

Lõi xoắn

Lõi bện nhiều sợi riêng biệt được ghép thành hình xoắn ốc, cùng chiều và cùng bước không tạo thành các lớp rõ rệt

Lõi mềm Là lõi bện gồm các sợi khá nhỏ và tập hợp lại để sử

dụng loại dây cáp mềm

Lõi định hình Là lõi mà mặt cắt có hình dạng được xác định khác

với hình tròn

Lõi hình quạt Là lõi định hình mà mặt cắt gần giống với hình dạng

của một hình quạt trong một hình tròn

Lõi nén chặt

Là lõi bện mà trong đó khe hở giữa các sợi được giảm thiểu bằng sức nén, hoặc kéo cơ học, hoặc bằng một sự lựa chọn thích hợp về hình dạng và sự xếp đặt các sợi dây

Lõi phân ly

Là lõi bện gồm những phần tử bện tạo thành có tiết diện định hình và có cách điện yếu giữa cái này với cái kia

Lõi rỗng Có cấu tạo một rảnh đi dọc theo chiều trục

Lõi đồng tâm Lõi có cấu tạo theo cách bao quanh bằng một hoặc

nhiều lõi cách ly

Lõi hình hoa thị

Là lõi gồm có một hay nhiều phần tử được bện chung nhau, mỗi phần tử được cấu tạo bằng một hoặc nhiều giải băng kim loại mỏng quấn theo hình xoắn ốc và được một dây sợi dệt đỡ nó

Cách điện (của một cáp)

Toàn bộ những vật liệu cách điện tạo nên một phần của cáp có chức năng đặc trưng là chịu đựng các điều kiện điện áp

Vỏ bọc cách điện Cách điện đặt vào một lõi hay một màn chắn trên lõi

Màn chắn trên lõi Màn chắn điện được cấu tạo bằng vật liệu phi kim

loại hoặc kim loại bao quanh lõi dẫn điện

cáp của nguyên một vòng xoắn

Chiều xoắn Chiều quay thành phần cáp điện so với trục cáp

Vật độn Vật liệu được dùng để lấp đầy các khe hở giữa các

ruột trong một cáp có nhiều ruột

Lớp ngăn

Là lớp mỏng dùng làm vách chắn để tránh các tác động có giữa đến các thành phần của cáp, chẳng hạn như lõi giữa vỏ bọc cách điện hoặc giữa vỏ bọc cách điện và vỏ bọc ngoài

Thành phần Định nghĩa

Lớp bọc trong

Lớp bọc phi kim loại bao quanh các dây dẫn cũng như các chất độn có thể có trong cáp nhiều sợi và trên đó phủ một lớp vỏ bọc bảo vệ

Vỏ bọc

Lớp bọc hình ống đồng nhất bằng và liên tục bằng vật liệu kim loại hoặc vật liệu phi kim loại, thường được bọc ngoài cáp

Vỏ bọc ngoài Vỏ bọc phi kim loại đặt bên ngoài lớp bọc kim loại,

đảm bảo việc bảo vệ bên ngoài của cáp

Lớp tăng cường

Băng hoặc dây, thường bằng kim loại được cuốn trên

vỏ bọc để cho phép chịu đựng các lực cơ học nhất là

do áp lực bên trong

Vỏ thép

Lớp bọc gồm có băng kim loại (đai sắt mỏng) hoặc bằng dây thép, được dùng bảo vệ cáp đối với các tác động đến từ bên ngoài

Đai thép chặn Băng thép được quấn ở đầu những bước xoắn trên một đai bọc bằng dây thép, mục đích để giữ các sợi

cáp bên trong

Đệm Lớp hoặc các lớp được đặt trực tiếp dưới vỏ bọc kim

loại giống như đai bọc sắt hoặc lớp tăng cường

Đệm ngoài Một hoặc nhiều lớp vật liệu không bị đùn ép thường đặt bên ngoài cáp Dải bện Lớp bọc bằng vật liệu kim loại hoặc phi kim loại

được đan lại

Dây trượt Dây hoặc nhiều dây, nằm dọc theo ruột cáp để tăng cường bảo vệ việc kéo cáp trong ruột ống

dụ như vỏ chì Tuy nhiên cáp thường tạo ra các khoảng trống trong cách điện, có thể dẫn đến hiện tượng ion hóa do đó độ tin cậy của cáp không cao Ở điện áp cao người

ta chế tạo cáp 1 sợi, cáp này có lõi bằng đồng hoặc nhôm vặn xoắn rỗng Dây dẫn

rỗng lưu thông dầu dưới áp suất cao để tẩm cách điện giấy và đảm bảo dẫn điện đồng đều Lớp vỏ bọc được bảo vệ bởi một lớp kim loại, ngoài cùng được bảo vệ bằng một lớp nhựa PVC (Hình 2.7)

Cáp tẩm dầu có ưu điểm so với loại cáp đổ dầu là ở các đầu nối cáp chất tẩm không bị gỉ ra ngoài do đó không tạo nên các khoảng trống bên trong Cáp tẩm bằng loại hỗn hợp dầu không chảy có thể lắp đặt với chênh lệch độ cao lên tới 300 m mà không làm chảy dầu xuống đầu phía thấp dẫn đến xuất hiện khoảng trống cách điện không được tẩm ở phía cao

Nhược điểm chủ yếu của loại cáp tẩm dầu là sự xuất hiện các bọt khí bên trong cáp ảnh hưởng xấu đến cách điện Khi phụ tải tăng cao, cáp sẽ bị phát nóng mạnh làm

vỏ chì phồng ra, ngược lại khi phụ tải giảm vỏ chì sẽ co lại, sự giãn nở của vỏ chì lớn hơn đáng kể với cách điện vì vậy sẽ hình thành cách lỗ trống chứa khí thoát ra từ cách điện Các bọt khí này ban đầu xuất hiện ở gần vỏ chì là nơi cường độ điện trường bé nhưng do khuếch tán chúng sẽ xuất hiện ở gần lõi với cường độ điện trường cao làm tăng khả năng phóng điện dẫn đến sự cố ngắn mạch Do nhược điểm trên cáp tẩm dầu chỉ dùng ở điện áp xoay chiều định mức tới 35 kV

Hình 2.7 Cáp tẩm dầu

b Cáp dầu

Cáp dầu là loại cáp đại diện cho cáp áp lực, được sử dụng rộng rãi cho các cấp điện áp từ 66 kV trở lên (Hình 2.8) Cáp dầu được L Emanueli thuộc hãng Pirelli - Italy phát minh Dầu được lưu thông bên trong cáp Áp suất của dầu trong cáp được duy trì cao hơn áp suất không khí để ngăn chặn các lỗ trống phát sinh trong cách điện (một nhược điểm lớn của cáp đặc) Khả năng ưu việt của cách điện giúp tăng giới hạn nhiệt độ của lõi dẫn, có nghĩa là tăng khả năng tải và giảm độ dày cách điện Hệ thống này sử dụng thiết bị cảnh báo để phát hiện sự rò rỉ dầu gây ra bởi sự hỏng hóc vỏ kim loại, do đó nó được sửa chữa tức thời, trước khi sự cố nghiêm trọng về điện xảy ra

Hình 2.8 Cáp dầu

c Cáp dầu dạng ống

Trong một cáp dầu dạng ống, ba lõi dẫn, mỗi lõi được bọc bởi cách điện giấy, được tẩm dầu cách điện có độ nhớt cao và được đặt trong một ống thép Ống thép này được điền đầy bằng dầu cách điện với áp suất khoảng 15 kg/cm2 Mỗi lõi dẫn được quấn một dây trượt để có thể luồn vào ống dễ dàng hơn Cáp loại này có độ ổn định điện cao và được sử dụng cho cấp điện áp cao từ 200 kV đến 500 kV Bằng cách quay vòng dầu làm mát, khả năng tải của cáp sẽ được tăng lên dễ dàng Tuy nhiên, do đòi hỏi hệ thống cấp dầu, cáp loại này có một số nhược điểm: đòi hỏi lượng dầu cách điện lớn và hệ thống thiết bị cấp dầu đặc biệt (Hình 2.9)

Hình 2.9 Cáp dầu dạng ống

d Cáp chứa khí nén

Đây là loại cáp chứa khí Nitơ tương tự như cáp đổ dầu Lõi cáp mỗi pha sau khi bọc cách điện và bọc chì sẽ được đặt trong ống thép chứa khí nén (Hình 2.10)

Do áp suất của khí nén truyền vào cách điện của lõi nên các bọt khí cũng có

áp suất cao và chỉ bị ion hóa khi cường độ điện trường lớn Thường khí Nitơ được

nén tới áp suất khoảng 12 ÷ 15 atm Với áp suất này cho phép tăng cường độ điện trường làm việc tới 12 ÷ 15 kV/mm

Nhược điểm của cáp chứa khí nén là điều kiện tản nhiệt kém nên việc sử dụng chúng ở điện áp cao bị hạn chế Hiện nay cáp chứa khí nén được dùng phổ biến ở điện áp 35 kV trên các tuyến đường dốc hoặc yêu cầu lắp đặt cáp thẳng đứng

Khí SF6 là loại khí có khả năng cách điện cao hơn nhiều so với không khí nên cũng được sử dụng Độ bền điện của khí SF6 ở điều kiện bình thường khoảng 10 kV/mm, tức là lớn hơn không khí khoảng 3 lần Đường dây cáp dùng khí nén SF6 có nhiều ưu điểm như kết cấu tương đối đơn giản, tổn hao nhỏ, khả năng khôi phục cách điện sau khi phóng điện, điện dung đơn vị bé Việc sử dụng khí SF6 làm cách điện mang lại hiệu quả kinh tế cao nếu ứng dụng cho cáp siêu cao áp

Hình 2.10 Cáp cách điện khí

e Cáp siêu dẫn

Cáp siêu dẫn 3 pha gồm 4 ống bằng vật liệu siêu dẫn, sẽ dùng chất làm lạnh dạng lỏng lưu thông trong 3 ống bên trong (dây dẫn pha) Mỗi lõi được bọc một lớp cách điện và màn che để cân bằng điện trường

Khoảng trống giữa các pha và ống ngoài cùng cũng cho lưu thông chất lỏng làm lạnh Bên ngoài cùng có một lớp cách điện có nhiệm vụ giảm tổn thất nhiệt Cáp siêu dẫn có khả năng truyền công suất tự nhiên đến 4 GVA

f Cáp cách điện khô

Cáp cách điện khô có thể chế tạo loại 3 lõi hoặc 1 lõi đơn Cáp cách điện 3 lõi thông thường được bọc trong một vỏ bảo vệ chung Các lõi dẫn điện được bọc cách điện riêng lẻ Khoảng trống ở giữa và xung quanh lõi được chèn chất độn để tạo ra

khi chôn ngầm vì không có dòng điện xoáy cảm ứng trong đai thép 3 pha, nhưng với cáp một lõi thì dòng này tồn tại dẫn đến tăng tổn hao và điện cảm của đường dây

Phân bố điện trường trong cáp 3 lõi không hoàn toàn xuyên tâm, tạo nên thành phần theo bề mặt tiếp tuyến với bề mặt cách điện là hướng độ bền cách điện yếu nhất

Để khắc phục người ta quấn quanh mỗi lõi một lớp dẫn điện bằng giấy kim loại hoặc màn che bằng dây dẫn đồng để chuyển cáp 3 lõi chung thành cáp 3 lõi đơn về mặt điện học, như vậy cường độ điện trường hoàn toàn theo phương hướng tâm

Một màn giấy bán dẫn được phủ trên mặt ngoài của lõi cáp nhằm hạn chế tăng điện trường cục bộ trên bề mặt dây dẫn Loại vật liệu này gồm bột than trộn với đồng polymer giữa ethylen và vinyle acetate (điện trở suất 5.10-2 Ω.mm)

Vật liệu cách điện của cáp là polymer Polymer được tổng hợp từ các phân tử monomer Phần lớn các vật liệu hiện đại đều được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp Về phương diện kỹ thuật, các polymer quan trọng được phân loại thành:

- Polymer nhiệt dẻo (polyvinyl chloride PVC, polyethylene PE, polypropylene

Cáp ngầm trung thế cách điện polymer đang dần thay thế loại cáp cách điện giấy tẩm dầu do có những ưu điểm vượt trội:

- Mềm, dẻo nhẹ và bền vững

- Không cần hệ thống duy trì áp suất chất lỏng

- Lắp đặt đơn giản, bảo dưỡng thuận tiện

- Phụ kiện đơn giản hơn

- Cách điện bằng chất dẻo có thể phủ lên lõi dẫn điện bằng phương pháp ép đùn trực tiếp, do đó năng suất chế tạo cao, không cần công đoạn sấy, tẩm

2.3.3.2 Phân loại theo vật liệu chế tạo lõi cáp

Theo vật liệu chế tạo lõi cáp có thể chia thành hai loại là cáp ngầm ruột nhôm

và cáp ngầm ruột đồng

- Cáp ruột đồng có khả năng dẫn điện tốt, năng suất đầu tư lớn

- Cáp ruột nhôm có tính dẫn điện và nhiệt kém nên phải sử dụng cáp có tiết diện lớn hơn so với cáp đồng

Trong thực tế cáp ngầm sử dụng đồng làm lõi dẫn điện phổ biến hơn nhôm, đặc biệt là trường hợp tải công suất lớn

2.3.3.3 Phân loại theo nhiệm vụ

Theo nhiệm vụ của tuyến cáp có thể chia thành các loại sau:

- Khả năng mang tải lớn

- Có hằng số điện môi thấp nên giảm được đáng kể tổn hao điện môi

- Không cần phải điều áp để ổn định điện môi, do đó các phụ kiện đơn giản hơn và không cần lắp các thiết bị điều áp

- Cách điện ở thể rắn có thể lắp đặt được ở mọi địa hình kể cả có sự thay đổi cao độ lớn

- Hệ thống cáp không gây ảnh hưởng đến môi trường, không có nguy cơ rò rỉ dầu

Vì vậy việc nghiên cứu kỹ thuật đấu nối, lắp đặt, thí nghiệm và vận hành cáp ngầm trung thế ở Việt Nam có đối tượng nghiên cứu là cáp ngầm ruột đồng, cách điện XLPE vẫn luôn được quan tâm hàng đầu

2.4 Phụ kiện cáp điện lực

2.4.1 Giới thiệu chung

Đường cáp ngầm bao gồm cáp ngầm và các thiết bị nối trực tiếp với cáp ngầm nói chung (được gọi là phụ kiện) Cũng giống như các thiết bị điện khác, đường cáp ngầm được xây dựng bằng cách lắp đặt các bộ phận được sản xuất tại nhà máy sao cho phù hợp với các điều kiện công trường

Đặc biệt, hộp nối cần phải được sự quan tâm đặc biệt vì chúng có phần cách điện được lắp ghép thủ công tại công trường và các bộ phận của chúng có kích thước lớn khi sử dụng cho cấp điện áp siêu cao, đòi hỏi phải có công nghệ và kỹ năng làm việc rất cao, đồng thời phải có một số lượng lớn công nhân làm việc trong nhiều giờ, trong điều kiện rất khó khăn

2.4.2 Hộp nối cáp

2.4.2.1 Chức năng nhiệm vụ của hộp nối

Hộp nối cáp là phần dẫn điện của cáp để nối hai cáp với nhau Do hạn chế của khâu sản xuất, vận chuyển cũng như lắp đặt nên cáp ngầm trung thế chỉ được sản xuất đóng gói với độ dài nhất định vì vậy khi thi công lắp đặt tuyến cáp có độ dài lớn phải

sử dụng hộp nối để kết nối giữa hai đoạn cáp

2.4.2.2 Phân loại hộp nối

Hộp nối thường được sử dụng để liên kết các đoạn cáp cùng loại, theo phương thẳng hàng Có các loại hộp nối sau:

Hộp nối thường: hộp nối thường được sử dụng để nối hai đoạn cáp một cách

đơn giản Đối với cáp dầu, giấy tẩm dầu dẹp và rộng được quấn xung quanh lõi dẫn trần, phần ống nén lõi dẫn để cách điện Phương pháp này được sử dụng cho cáp ở mọi cấp điện áp

Đối với cáp XLPE, hộp nối cáp thường được chế tạo và có cấu trúc khác nhau tùy thuộc vào cấp điện áp do gradient điện áp đặt vào cách điện thay đổi theo cấp điện áp Các cấp điện áp khác nhau sử dụng các loại hộp nối như sau:

- 6,6 kV ÷ 77 kV: sử dụng các ống cách điện cao su đúc để tăng cường cách điện (loại chèn cao su; quấn băng dán hoặc băng hỗn hợp)

- 66 kV ÷ 154 kV: phần nối được quấn băng PE trước khi đảo vỏ