Nghiên cứu kỹ thuật lắp đặt và vận hành cáp trong lưới điện trung áp

37 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH CÁP NGẦM SỬ DỤNG CÁCH ĐIỆN XLPE TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP .... Cáp là dây dẫn điện mềm được bọc cách điện và bọc vỏ kim loại, hoặc vật liệu polym

LÊ VIỆT PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH

CÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI, 2010

-

LÊ VIỆT PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH

CÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP

CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

MÃ SỐ: 02.06.07

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

HÀ NỘI, 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Tất cả các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ

Lê Việt Phương

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC 13

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC 13

1.1.1 Khái quát về cáp ngầm điện lực 13

1.1.2 Phân loại cáp ngầm điện lực 14

1.1.2.1 Theo kết cấu cách điện 14

1.1.2.2 Theo vật liệu chế tạo lõi cáp 19

1.1.2.3 Theo nhiệm vụ 20

1.1.3 Nhận xét 20

1.2 CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA CÁP NGẦM TRUNG ÁP SỬ DỤNG CÁCH ĐIỆN POLYMER 21

1.2.1 Cấu tạo chung của cáp cách điện bằng polymer 21

1.2.2 Lõi cáp 22

1.2.3 Cách điện 22

1.2.3.1 Polyvinyl Chloride (PVC) 23

1.2.3.2 Polyethylene (PE) 24

1.2.3.3 Cross-linked PE (XLPE) 25

1.2.4 Vỏ bảo vệ 28

1.2.5 Vỏ bảo vệ (protective sheath) 28

1.2.6 Vỏ bọc sắt (armour) 28

1.2.7 Vỏ che chắn điện (electrical screening) 28

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐẶT VÀ QUY ĐỊNH VẬN HÀNH PHỔ BIẾN HIỆN NAY 29

1.3.1 Các phương pháp lắp đặt cáp ngầm phổ biến 29

1.3.1.1 Đặt cáp trực tiếp trong đất: 29

1.3.1.2 Đặt cáp trong ống (khối cáp, máng cáp): 29

1.3.1.3 Đặt cáp trong không khí và trong mương cáp xây bê tông: 29 1.3.2 Các quy định vận hành hiện nay 30

1.4 ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ CÁP NGẦM TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP TP HÀ NỘI 30

1.4.1 Tình hình phát triển cáp ngầm tại Hà Nội 30

1.4.2 Tình hình sự cố về cáp ngầm trên lưới điện trung thế tại Hà Nội 33 1.4.2.1 Đào phải cáp chôn ngầm 33

1.4.2.2 Do nổ đầu cáp, hộp nối 34

1.4.2.3 Các sự cố hư hóng cách điện 35

1.5 KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 37

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH CÁP NGẦM SỬ DỤNG CÁCH ĐIỆN XLPE TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP 38

2.1 CÁC PHƯƠNG THỨC LẮP ĐẶT CÁP NGẦM 38

2.1.1 Yêu cầu chung 38

2.1.2 Lựa chọn loại cáp 39

2.1.3 Cấu hình lắp đặt cáp ngầm 40

2.1.3.1 Cáp bố trí 3 pha theo phương thẳng đứng 40

2.1.3.2 Cáp bố trí 3 pha theo phương nằm ngang 40

2.1.3.3 Cáp bố trí 3 pha đặt theo hình tam giác 41

2.1.4 Phương thức đặt cáp 41

2.1.4.1 Lắp đặt cáp ngầm trực tiếp trong đất 42

2.1.4.2 Lắp đặt cáp ngầm trong ống (khối cáp, máng cáp) 45

2.1.4.3 Lắp đặt cáp ngầm trong công trình cáp 46

2.1.5 Lắp đặt hộp nối và đầu cáp 49

2.1.6 Nối đất 49

2.1.7 Nhận xét 50

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT LẮP ĐẶT ĐẾN QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG CÁP NGẦM TRUNG ÁP 50

2.2.1 Ảnh hưởng của kỹ thuật lắp đặt đến việc giảm nguy cơ sự cố cho hệ thống cáp ngầm trong quá trình vận hành 50

2.2.2 Ảnh hưởng của kỹ thuật lắp đặt đến khả năng tải của cáp 51

2.2.2.1 Nối đất đảo pha hệ thống cáp ngầm 51

2.2.2.2 Phương pháp tính điện áp cảm ứng vỏ cáp 53

2.2.2.3 Ảnh hưởng của tổn thất vỏ cáp đến khả năng tải của cáp 56

2.2.3 Nhận xét 59

2.3 CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA HỆ THỐNG CÁP NGẦM TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH 59

2.3.1 Lý thuyết về chế độ nhiệt 59

2.3.1.1 Tổn hao nhiệt P i lõi dẫn do dòng tải 61

2.3.1.2 Tổn hao điện môi P d 62

2.3.1.3 Nhiệt trở của các bộ phận cáp 63

2.3.1.4 Độ tăng nhiệt độ do tổn hao điện môi ∆T d 66

2.3.1.5 Tính nhiệt trở của đất R 4 66

2.3.2 Nhận xét 74

2.4 CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO KHẢ NĂNG TẢI CỦA HỆ THỐNG CÁP NGẦM 74

2.4.1 Khái quát Tính hệ số tải 74

2.4.2 Tăng khả năng tải bằng sử dụng loại cáp có tổn thất vỏ bé 78

2.4.3 Sử dụng thành phần có nhiệt trở thấp 80

2.4.4 Lựa chọn cấu hình bố trí cáp hợp lý 86

2.4.5 Tăng khả năng thoát nhiệt bằng hệ thống làm mát cưỡng bức 86

2.5 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 88

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH CHO HỆ THỐNG CÁP NGẦM TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP CỦA THÀNH PHỐ HÀ NỘI 90

3.1 TÍNH TOÁN LẮP ĐẶT VÀ KHẢ NĂNG TẢI CHO HỆ THỐNG CÁP NGẦM 22KV 90

3.1.1 Tính toán lắp đặt hệ thống cáp ngầm 22kV 91

3.1.1.1 Các thông số đầu vào 91

3.1.1.2 Kết quả tính toán 92

3.1.2 Tính toán khả năng tải của hệ thống cáp ngầm 22kV 95

3.1.2.1 Các thông số đầu vào 95

3.1.2.2 Kết quả tính toán 96

3.2 TÍNH TOÁN LẮP ĐẶT VÀ KHẢ NĂNG TẢI CHO HỆ THỐNG CÁP NGẦM 35KV 100

3.2.1 Tính toán lắp đặt hệ thống cáp ngầm 35kV 100

3.2.1.1 Các thông số đầu vào 100

3.2.1.2 Kết quả tính toán 101

3.2.2 Tính toán khả năng tải của hệ thống cáp ngầm 35kV 104

3.2.2.1 Các thông số đầu vào 104

3.2.2.2 Kết quả tính toán 106

3.3 NHẬN XÉT 109

KẾT LUẬN 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHẦN PHỤ LỤC 116

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện

Bảng 2.1 Chiều rộng giới hạn của đường cáp ngầm

Bảng 2.2 Khoảng cách nhỏ nhất giữa các cáp trong công trình cáp

Bảng 2.3 Điện áp sinh ra trong vỏ cáp một đầu nối đất

Bảng 2.4 Sự phụ thuộc của nhiệt trở của đất vào các thông số của nó

Bảng 2.5 Đặc tính lý nhiệt của một số đất tự nhiên

Bảng 2.6: So sánh khả năng tải trong trường hợp cấu hình đặt nằm ngang và tam giác

Bảng 2.7: So sánh khả năng tải trong trường hợp cấu hình đặt nằm ngang và tam giác

Bảng 2.8: Giới thiệu tổng quát các hệ thống làm mát cáp

Bảng 2.9: Giới thiệu tổng quát các hệ thống làm mát cáp

Bảng 3.1: Các thông số của tuyến cáp sử dụng trong tính toán

Bảng 3.2: Nối đất một đầu đường cáp có hoán vị vỏ

Bảng 3.3: Nối đất hai đầu đường cáp không hoán vị vỏ

Bảng 3.4: Nối đất hai đầu đường cáp có hoán vị vỏ

Bảng 3.5 Các thông số tuyến cáp dùng để tính toán

Bảng 3.6 Các điều kiện về thời tiết và địa hình tại Hà Nội

Bảng 3.7 Tính dòng tải bình thường theo các hệ số k

Bảng 3.8 Các thông số tính toán

Bảng 3.9 Các giá trị nhiệt trở tính toán

Bảng 3.10 Giá trị dòng tải Iz = f(a)

Bảng 3.11 Các thông số tính toán

Bảng 3.12 Giá trị dòng tải Iz = f(h)

Bảng 3.13 Các thông số tính toán

Bảng 3.14 Giá trị dòng tải Iz = f(ρE)

Bảng 3.15: Các thông số của tuyến cáp sử dụng trong tính toánBảng 3.16: Nối đất một đầu đường cáp có hoán vị vỏ

Bảng 3.17: Nối đất hai đầu đường cáp không hoán vị vỏ

Bảng 3.18: Nối đất hai đầu đường cáp có hoán vị vỏ

Bảng 3.19 Các thông số tuyến cáp dùng để tính toán

Bảng 3.20 Các điều kiện về thời tiết và địa hình tại Hà NộiBảng 3.21 Tính dòng tải bình thường theo các hệ số k

Bảng 3.22 Các thông số tính toán

Bảng 3.23 Các giá trị nhiệt trở tính toán

Bảng 3.24 Giá trị dòng tải Iz = f(a)

Bảng 3.25 Các thông số tính toán

Bảng 3.26 Giá trị dòng tải Iz = f(h)

Bảng 3.27 Các thông số tính toán

Bảng 3.28 Giá trị dòng tải Iz = f(ρE)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cáp một lõi có vỏ bọc

Hình 1.2 Mặt cắt cáp 3 pha ba lõi

Hình 1.3 Cáp khô một lõi điện áp cách điện XLPE:

Hình 1.4 Cấu trúc của Polyvinyl chloride (PVC)

Hình 1.5 Cấu trúc của Polyethyethyle (PE)

Hình 1.6 Cấu trúc hoá học của XLPE liên kết bằng peroxide

Hình 1.7 Cấu trúc hoá học của XLPE liên kết bằng chùm tia điện tử

Hình 1.8 Cấu trúc hoá học của XLPE liên kết bằng cầu nối siloxane

Hình 1.9 Biểu đồ phát triển cáp ngầm trung áp trên lưới điện thành phố Hà Nội

Hình 1.10 Biểu đồ phát triển giữa cáp trên lưới điện trung thế Hà Nội

Hình 1.11 Biểu đồ phát triển cáp ngầm theo điện áp trên lưới điện TP Hà NộiHình 1.12 So sánh tình hình sự cố giữa cáp trên lưới điện TP Hà Nội

Hình 1.13 Phân loại các dạng sự cố cáp ngầm trên lưới điện TP Hà NộiHình 1.14 Sự cố đánh thủng cách điện đầu cáp

Hình 1.15 Sự cố cháy cáp

Hình 1.16 Sự cố cháy cáp

Hình 2.1 Hệ thống nối đất một điểm

Hình 2.2 Hệ thống nối đất đảo vỏ

Hình 2.3 Mạch tương đương dòng nhiệt trong cáp ngầm

Hình 2.4 Nhiệt trở của cáp một sợi

Hình 2.5 Nhiệt trở giả tưởng của các loại cáp thông dụng

Hình 2.6 Nhiệt độ của đất trong năm ở các độ sâu khác nhau

Hình 2.7 Nhiệt trở suất của đất trong năm

Hình 2.8 Trường nhiệt độ của cáp đường kính d=2r, độ chôn sâu h

Hình 2.9 Nhiệt trở của cáp khi vận hành liên tục (hệ số tải kn = 1) không xét đến hiệu ứng đất bị khô và với ρE = const.

Hình 3.1: Trường hợp bố trí cáp nối đất 1 đầu có hoán vị vỏ cáp

Hình 3.2: Trường hợp bố trí cáp nối đất 2 đầu không hoán vị vỏ cáp

Hình 3.3: Trường hợp bố trí cáp nối đất 2 đầu có hoán vị vỏ cáp

Hình 3.4 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các sợi cáp của một mạch cáp đến khả năng tải

Hình 3.5 Ảnh hưởng của chiều sâu chôn cáp đến khả năng tải

Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt trở suất đất đến khả năng tải

Hình 3.7: Trường hợp bố trí cáp nối đất 1 đầu có hoán vị vỏ cáp

Hình 3.8: Trường hợp bố trí cáp nối đất 2 đầu không hoán vị vỏ cáp

Hình 3.9: Trường hợp bố trí cáp nối đất 2 đầu có hoán vị vỏ cáp

Hình 3.10 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các sợi cáp của một mạch cáp đến khả năng tải

Hình 3.11 Ảnh hưởng của chiều sâu chôn cáp đến khả năng tải

Hình 3.12 Ảnh hưởng của nhiệt trở suất đất đến khả năng tải

MỞ ĐẦU

Cáp điện lực đã được sử dụng từ rất lâu trên thế giới nhất là ở các nước công nghiệp phát triển và đến cuối thế kỷ XX cáp điện lực đã được sử dụng tại Việt Nam Đặc biệt trong khu vực nội thành của các thành phố lớn tại Việt Nam, việc ngầm hoá lưới điện phân phối ngày càng trở nên bức thiết

Cùng với tốc độ đô thị hoá, cáp điện lực chôn ngầm dưới đất đã được

sử dụng ngày càng nhiều để giảm thiểu vi phạm an toàn hành lang lưới điện cao áp, đảm bảo mỹ quan đô thị và tiết kiệm quỹ đất

Chính vì vậy trong hệ thống lưới điện trung áp hiện tại, cáp ngầm đã trở thành một phần tử quan trọng, có ảnh hưởng rất lớn đến việc truyền tải công suất của hệ thống, ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cũng như chất lượng điện năng cung ứng cho các hộ phụ tải

Tuy nhiên hàng năm số vụ sự cố về cáp vẫn thường xuyên xảy ra làm gián đoạn cung ứng điện ảnh hưởng đến sản xuất, sinh hoạt do thời gian khắc phục sự cố về cáp tương đối dài Trong các nguyên nhân dẫn đến sự cố tuyến cáp có nguyên nhân liên quan đến các vấn đề về lắp đặt và vận hành tuyến cáp ngầm

Do vậy để hạn chế các vụ sự cố xảy ra do các nguyên nhân này, việc nghiên cứu, đề xuất kỹ thuật lắp đặt và vận hành cáp là cần thiết nhằm tăng khả năng truyền tải, giảm sự cố tuyến cáp cũng như kéo dài tuổi thọ của cáp điện Nội dung luận văn được trình bày với các nội dung sau:

1 Tổng quan về cáp ngầm điện lực

2 Kỹ thuật lắp đặt và vận hành cáp ngầm sử dụng cách điện XLPE trong lưới điện trung áp

3 Áp dụng tính toán thiết kế lắp đặt và vận hành hệ thống cáp ngầm trong lưới điện trung áp của thành phố Hà Nội

Để hoàn thành bản luận văn này tôi vô cùng biết ơn sự hướng dẫn, chỉ

bảo và giúp đỡ tận tình của PGS TS Nguyễn Đình Thắng, bộ môn Hệ

thống điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi cũng xin bày tỏ sự biết

ơn của mình tới các đồng nghiệp trong Công ty Điện lực TP Hà Nội đã chỉ bảo giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho bản luận văn này

Do tài liệu tham khảo cũng như thời gian và khả năng nghiên cứu còn nhiều hạn chế nên chắc chắn bản luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Tôi kính mong nhận được sự bổ sung, góp ý hoàn thiện nội dung từ các thầy cô giáo, các chuyên gia, bạn bè đồng nghiệp cho bản luận văn này

Hà Nội, ngày 30 tháng 3 năm 2010

HỌC VIÊN

Lê Việt Phương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC

1.1.1 Khái quát về cáp ngầm điện lực

Cáp là dây dẫn điện mềm được bọc cách điện và bọc vỏ kim loại, hoặc vật liệu polymer để ngăn chặn các tác dụng bên ngoài đối với cách điện như chênh lệch nhiệt độ cao, ngâm trong nước, Chúng phải chịu sự thay đổi nhiệt độ lớn do dòng điện làm việc và điều kiện nhiệt độ môi trường Khi đã được lắp đặt xong, cáp phải vận hành tin cậy trong nhiều thập niên

Cấu tạo của cáp gồm một (hay nhiều) dây dẫn chính (lõi), cách điện đối với đất và giữa các lõi với nhau, vỏ kim loại và các lớp bọc bảo vệ

Hình 1.1 Cáp một lõi có vỏ bọc

Vỏ bọc kim loại thường sử dụng bằng chì hoặc nhôm có nhiệm vụ bảo

vệ lõi và cách điện đối với các tác dụng bên ngoài, mà trước hết là độ ẩm và các tác động cơ giới Lớp bảo vệ là một vỏ bọc bằng sợi thép hoặc băng thép, một lớp sợi đay tẩm bi tum Vỏ bọc còn có tác dụng làm cho điện trường phân

bố đều hơn và các đặc tính của cáp không phụ thuộc vào cách thức lắp đặt

Vỏ bọc polymer thường sử dụng nhựa PVC

Lớp vỏ bọc kim loại bảo vệ cáp và cách điện của cáp đối với các tác động bên ngoài, còn lớp sợi đay bảo vệ vỏ bọc chống ăn mòn

Tất cả các phần của cáp và bản thân phải có độ mềm dẻo cần thiết để có thể cuộn quanh những tang trống, dễ dàng trong vận chuyển, bảo quản và uốn

theo địa hình khi thi công Chính vì thế lõi của cáp phải là dây xoắn từ nhiều dây nhỏ

Cách điện của cáp phải gánh chịu toàn bộ trọng lượng của dây dẫn (lõi) hoặc các ứng lực do uốn cáp khi cuộn cáp hoặc lắp đặt Vì thế cách điện của cáp yêu cầu phải có độ chịu 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 còn phải có đủ độ bền cơ giới trong phạm vi biến thiên tương đối rộng của nhiệt độ Độ bền cách điện cao của vật liệu cách điện cho phép giảm chiều dày cách điện, dẫn đến không chỉ làm 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 lắp đặt ngầm nên có các yêu cầu rất cao về độ tin cậy làm việc bởi đối với cách điện của các đường cáp cao áp vì việc tìm kiếm các điểm sự cố và khắc phục chúng tốn nhiều thời gian và công sức Cũng cần nhấn mạnh rằng các đường cáp cao áp thường lắp đặt từ nhiều đoạn khác nhau (chiều dài mỗi cuộn cáp từ 250 - 1000 m) nối với nhau bởi những đầu nối cáp, mà những điểm nối này (măng sông) được thực hiện tại hiện trường công nghệ của chúng thường kém hơn nhiều so với nếu thực hiện trong nhà máy chế tạo cáp

1.1.2 Phân loại cáp ngầm điện lực

1.1.2.1 Theo kết cấu cách điện

Tuỳ theo kết cấu cách điện, cáp được phân chia thành các loại sau đây:

trình oxy hoá và được bịt kín bằng một lớp kim loại ví dụ như vỏ chì Tuy nhiên cáp đặc thường tạo ra các khoảng trống (lỗ hổng) trong cách điện, có thể dẫn đến hiện tượng ion hoá do đó độ tin cậy của cáp đặc thấp Ở điện áp cao người ta chế tạo cáp một sợi, cáp này bao gồm một 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 Cách điện được tạo bởi các lớp giấy tẩm dầu Lớp vỏ bọc gồm một vỏ kim loại và được bảo vệ bởi một lớp nhựa PVC

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

Nhược điểm chủ yếu của loại cáp tẩm dầu nhớt là sự xuất hiện các bọc khí bên trong cáp ảnh hưởng xấu đến cách điện Một trong những nguyên nhân gây nên hiện tượng này là chu trình đốt nóng và nguội đi của cáp khi làm việc với phụ tải thay đổi thường xuyên Nguyên nhân hình thành các bọc khí là do

hệ số giãn nở nhiệt của cách điện khác với của vỏ chì, khi phụ tải tăng, cáp bị phát nóng mạnh, vỏ chì bị căng phồng ra, khi phụ tải giảm cáp nguội đi, vỏ co lại ít hơn so với cách điện do đó hình thành các lỗ trống chứa đầy khí thoát ra

từ chất cách điện Các bọc 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 Vì vậy trong các loại cáp tẩm dầu cường độ điện trường làm việc thường có trị số không cao Do nhược điểm dễ hình thành các bọc khí khi phụ tải thay đổi, nên loại cáp tẩm dầu chỉ dùng ở điện áp xoay chiều tới 35kV, còn ở điện áp cao hơn phải dùng các loại cáp đổ dầu, cáp dùng khí nén hoặc cáp XLPE

Ngoài ra loại cáp tẩm dầu, các đầu đấu nối, đầu cuối của cáp thường bị cháy dầu nên loại cáp XLPE được sử dụng càng ngày càng nhiều

b) Loại cáp đổ dầu:

Cáp đổ dầu dùng ở điện áp cao (110kV trở lên) và thường chỉ có một lõi Trong loại cáp này dầu có áp suất cao sẽ chảy dọc theo đường cáp để lấp kín các bọt khí được hình thành trong thời gian của các chu trình nhiệt, cáp dầu là đại diện cho cáp áp lực Dầu được lưu thông bên trong cáp, áp suất dầu trong cáp được duy trì cao hơn áp suất không khí để ngăn chặn các lỗ trống phát sinh trong cách điện đồng thời tăng áp suất dầu trong cáp còn có mục đích tăng khả năng cách điện của dầu và giảm kích thước của cáp Trước hết các lõi cáp được chế tạo từ các dây dẫn có tiết diện đặc biệt, không phải bằng dây dẫn tròn như đối với loại cáp dưới 35kV do đó bề mặt của lõi cáp bằng biện pháp này trở nên nhẵn hơn Ngoài ra lõi cáp còn phải được bọc bởi một lớp giấy phủ chất bán dẫn điện để tránh tạo thành những điểm điện trường tăng cục bộ trên bề mặt lõi

Theo áp suất dầu, cáp đổ dầu được phân thành các loại là cáp áp suất thấp (đến 0,2 MPa), áp suất trung bình (0,4-0,5 MPa) và áp suất cao (0,8-1,6 MPa)

Ưu điểm của loại cáp đặt trong đường ống kim loại là đơn giản được kết cấu của lớp vỏ bọc chịu áp lực Đa số các loại cáp đổ dầu đều có áp suất 3-5 at, nên ưu điểm nổi bật của loại cáp này là cường độ trường xoay chiều có thể đạt tới 6-8 kV/mm, gấp gần ba lần so với loại cáp tẩm dầu điện áp 22-35

kV Nếu tăng áp suất lên 10 - 15 at thì cường độ trường cho phép có fhể 10 -

15 kV/mm nhng kết cấu rất phức tạp và phải tăng cường bằng những đai lớn Nhược điểm của cáp đổ dầu là nó đòi hỏi các thiết bị phụ trợ, ví dụ thiết bị cấp dầu, nên làm tăng khối lượng công việc khi lắp đặt cáp đặc biệt tăng đáng kể lượng dầu và hệ thống đảm bảo áp suất dầu phức tạp hơn cũng như mặt bằng để lắp đặt các thiết bị này

c) Loại cáp chứa khí nén:

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

Do áp suất của khi nén truyền vào cách điện của lõi nên các bọt khí cũng có áp suất cao và chỉ bị ion hóa khi cường độ trường lớn Thường khi nitơ được nén tới áp suất khoảng 12 - 15 at Với áp suất này cho phép tăng cường độ trường làm việc tới 12 - 15 kV/mm

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

Hiện nay loại khí SF6 là những loại khí có khả năng cách điện cao hơn nhiều so với không khí cũng được sử dụng Độ bền điện của khí SF6 ở điều kiện bình thường vào khoảng 10 kV/mm tức là lớn hơn của không khí khoảng

3 lần Đường dây cáp dùng khí nén SF6 có nhiều ưu điểm: kết cấu tương đối đơn giản, tổn hao nhỏ, khả năng khôi phục tính chất cách điện sau khi phóng điện, điện dung đơn vị bé Kết quả tính toán cho thấy đường dây này có hiệu quả kinh tế cao nếu dùng cho cấp điện áp siêu cao áp

d) Loại cáp siêu dẫn:

Cáp siêu dẫn 3 pha gồm 4 ống bằng vật liệu siêu dẫn, chất làm lạnh Heli lỏng lưu thông trong ba 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 cho lưu thông chất lóng làm lạnh bằng nitơ hoá lỏng (T<70 K)

Bên ngoài cùng có một lớp cách nhiệt có nhiệm vụ giảm tổn thất nhiệt Cáp siêu dẫn có khả năng truyền tải công suất tự nhiên đến 4GVA

đ) Loại cáp cách điện khô:

Cáp cách điện khô có thể chế tạo loại 3 lõi hoặc loại một 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 rẽ Khoảng trống ở giữa và xung quanh lõi được chèn chất độn để tạo ra bề mặt tròn sau đó bọc cách điện Cáp này được gọi là kiểu đai Người ta còn quấn đai thép xung quanh vỏ ngoài để chống va chạm cơ học khi đào bới cáp chôn ngầm vì không có dòng điện xoáy cảm ứng trong đai thép cáp 3 pha; nhưng với cáp một lõi đơn thì dòng này tồn tại dẫn đến tăng tổn hao và điện cảm của đường dây

Với cáp 3 lõi thì phân bố điện trường trong cáp ba lõi không hoàn toàn xuyên tâm, tạo nên thành phần trường theo bề mặt tiếp tuyến với bề mặt cách điện là hướng độ bền điện của cách điện yếu nhất Để khắc phục, người ta quấn quanh mỗi lõi một lớp dẫn điện bằng giấy kim loại hoặc màn che chắn 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 màng giấy bán dẫn điện được phủ bên ngoài lõi của cáp nhằm hạn chế tăng điện trường cục bộ trên bề mặt dây dẫn Loại vật liệu này gồm bột than trộn với đồng polyme giữa ethylen và vinyle acetate (điện trở suất 5.10-2 Ωm) Vật liệu cách điện của cáp là polymer Polymer được tổng hợp từ các phân tử monomer Phần lớn các vật liệu cách điện 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 (Polyvinylchloride PVC, Polyethylen PE, Polypropylen PP, Polyamide PA )

Elastomer (cao su tự nhiên NR, cao su butyl IIR, Cao su Propylene EPR, cao su Silicone SiK)

Ethylen-Polymer nhiệt cứng (nhựa epoxy EP, nhựa polyurethane PUR)

e) Nhận xét:

Cáp cách điện giấy tẩm dầu, cáp đổ dầu có các tính năng cách điện khá tốt và độ tin cậy cao trong vận hành Tuy nhiên những loại cáp này có nhược điểm: công nghệ chế tạo phức tạp và năng suất thấp, chỉ được chế tạo trong ống kim loại vì vật liệu giấy tẩm dầu có độ bền chống ẩm thấp làm cho kết cấu phức tạp và giá thành cao hơn Ngoài ra do dầu chảy nên lắp đặt cáp khi

có chênh lệch độ cao hai đầu lớn sẽ bị hạn chế, các loại cáp này yêu cầu lắp đặt phức tạp hơn, phụ kiện (đầu đấu nối, đầu cáp, bình ổn áp ) nhiều hơn Loại cáp trung áp cách điện polymer dùng chủ yếu là cho mạng cung cấp điện để chôn ngầm dưới đất đang dần thay thế loại cáp giấy tẩm dầu truyền thống do có những ưu điểm vượt trội:

- Mềm dẻo, nhẹ và bền vững

- Không cần hệ thống duy trì áp suất của chất lỏng

- Lắp đặt đơn giản hơn, bảo dưỡng nhanh hơn so với loại cáp tẩm dầu

- Phụ kiện đơn giản hơn

- Cách điện bằng chất dẻo có thể phủ lên lõi dẫn điện bằng phương pháp đùn trực tiếp, do đó năng suất chế tạo cáp cao hơn hẳn so với loại cáp cách điện giấy tẩm dầu bằng phương pháp cuốn

- Ngoài ra nó còn có ưu điểm là không cần công đoạn sấy, tẩm

1.1.2.2 Theo vật liệu chế tạo lõi cáp

Theo vật liệu chế tạo cáp có thể chia thành loại cáp ngầm ruột nhôm và cáp ngầm ruột đồng

Cáp ruột đồng có tính dẫn điện tốt, suất đầu tư lớn

Cáp ruột nhôm có tính dẫn điện kém nên phải sử dụng cáp có tiết diện lớn hơn so với cáp đồng, đồng thời cáp ruột nhôm cũng không có tính dẫn nhiệt tốt Nhôm có khối lượng chỉ bằng một phần ba khối lượng của đồng nên

có thể truyền tải lượng công suất lớn gấp đôi đồng cùng trọng lượng

Hiện nay có xu hướng sử dụng nhôm để chế tạo lõi dẫn điện của cáp

điện nhưng cần có biện pháp đấu nối sao cho tin cậy và chắc chắn Lý do chính

cho việc dùng nhôm là giá cả của nhôm trên thị trường ổn định và rẻ hơn đồng

Bảng 1.1 dưới đây trình bày tính chất cơ bản của vật liệu lõi dẫn điện

Bảng 1.1 Tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện

Vật liệu Điện trở suất ( ρ)

10 -6 Ω.cm

Mật độ ( σ) g/cm 3

Giá cho một pound ($)

Nhôm 2.82 2.7 0.31

Từ bảng 1.1 có thể thấy rằng đồng vẫn chiếm ưu thế hơn nhôm để là lõi

dẫn điện đặc biệt là trong các trường hợp cần truyền tải công suất lớn Chính

vì vậy hiện nay người ta thường sử dụng đồng làm lõi dẫn cho cáp ngầm

1.1.2.3 Theo nhiệm vụ

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

- Cáp truyền tải

- Cáp phân phối

- Cáp chuyên dụng (cáp biển, cáp cho giao thông đường sắt, cáp cho ô

tô, máy bay, cáp điều khiển, cáp cho công nghiệp háo dầu, …)

1.1.3 Nhận xét

Ngày nay các loại cáp dầu vẫn đang được vận hành trên lưới điện trung

áp tuy nhiên đó là những tuyến cáp đã được xây dựng cách đây vài chục năm

Trong những năm gần đây người ta thường sử dụng cáp ngầm cách điện khô

bằng XLPE với ruột dẫn làm bằng đồng với rất nhiều ưu điểm như:

- Khả năng mang tải lớn cả trong chế độ vận hành bình thường, cũng

như chế độ sự cố ngắn mạch do có khả năng chịu nhiệt cao

- Có hằng số điện môi thấp nên giảm được rất nhiều ảnh hưởng nhiệt

do tổn hao điện môi

- Khụng cần phải điều ỏp để ổn định điện mụi, do đú cỏc phụ kiện sẽ đơn giản hơn và khụng phải lắp đặt cỏc thiết bị điều ỏp

- Cỏch điện của cỏp ở thể rắn nờn cú thể lắp đặt ở mọi dạng địa hỡnh: địa hỡnh dốc hay tại những nơi cú độ cao thay đổi

- Hệ thống cỏp khụng gõy ảnh hưởng mụi trường do cỏch điện rắn, khụng cú nguy cơ rũ rỉ dầu như cỏc loại cỏp dầu

- Cú trọng lượng tương đối nhẹ nờn rất thuận lợi trong việc vận chuyển cũng như lắp đặt

Vỡ vậy nghiờn cứu cấu tạo, kỹ thuật lắp đặt và vận hành cỏp trong lưới điện trung ỏp hiện nay chớnh là nghiờn cứu cho cỏp điện lực dựng cỏch điện polymer ruột đồng

1.2 CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA CÁP NGẦM TRUNG ÁP SỬ DỤNG CÁCH ĐIỆN POLYMER

1.2.1 Cấu tạo chung của cỏp cỏch điện bằng polymer

Loại cỏp khụ dựng cỏch điện polymer XLPE (polyethylen mạch vũng) dựng cho mục đớch truyền tải được nghiờn cứu vào những năm 60 của thế kỷ

XX Loại cỏp này gồm lừi cỏp bằng đồng hoặc nhụm bện với cỏch điện ộp và được bảo vệ bởi lớp vỏ kim loại và lớp bọc chống ăn mũn

đai Vật liệu độn Cách điện

Vỏ giáp bọc

đai Vật liệu độn Cách điện

Vỏ giáp bọc Cách điện

Vỏ giáp bọc

Hỡnh 1.2 Mặt cắt cỏp 3 pha ba lừi

Hình 1.3 Cáp khô một lõi điện áp cách điện XLPE:

1-Lõi đồng; 2-Lớp bán dẫn điện trong; 3-Cách điện XLPE; 4-Lớp bán dẫn điện ngoài; 5-Lớp bán dẫn; 6-Băng; 7-Màn che chắn bằng dây đồng; 8-Băng đồng; 9-Lớp vỏ trong bằng cao su không lưu hoá; 10-Lớp vỏ ngoài cùng bằng PVC

Đối với loại cáp sử dụng dưới nước (cáp vượt biển) còn có thêm một lớp vỏ chì và lớp bọc bên ngoài bằng lưới thép

1.2.2 Lõi cáp

Lõi cáp thường được làm bằng nhiều sợi đồng tròn được bện, nén lại với nhau Loại lõi dẫn này bao gồm sự kết hợp của nhiều múi dạng nén, cách điện với nhau bằng vật liệu cách điện Các lõi cáp có tiết diện lớn hơn 1000mm2, được chế tạo bằng các thanh dẫn hình rẻ quạt để giảm điện trở đối với dòng điện xoay chiều và hiệu ứng vỏ

1.2.3 Cách điện

Tăng cường độ điện trường làm việc của cáp đòi hỏi phải có cách điện chất lượng rất cao Do đó yêu cầu các vật liệu sử dụng cho loại cáp cách điện chất dẻo phải đặc biệt tinh khiết Đảm bảo độ sạch phải được chú trọng ngay

từ khâu sản xuất vật liệu thô

Cáp điện lực sử dụng nhiều vật liệu và cấu tạo cũng đa dạng, được chế tạo theo yêu cầu lắp đặt sử dụng Trong luận văn này sẽ trình bày những vấn

đề chung nhất của cáp điện lực với cách điện bằng vật liệu polymer trong lắp đặt và vận hành

Khó khăn trong chế tạo cáp cách điện chất dẻo là không được có bọt khí trong cách điện, do vậy chúng được sử dụng ở cấp điện áp thấp hơn, tuy rằng đã có cả cáp cách điện polymer dùng cho cấp điện áp trên 110kV Giới

hạn chịu nhiệt của cáp PE là 700C, quá nhiệt độ thì chất dẻo xung quanh lõi dẫn điện bị chảy và tạo ra các ứng suất cao Có thể nâng cao giới hạn nhiệt độ lên đến 900C bằng các chất dẻo XLPE

Vật liệu polymer để làm cách điện và vỏ cáp chủ yếu các loại sau:

1.2.3.1 Polyvinyl Chloride (PVC)

Polyvinyl Chloride được sản xuất bằng phương pháp clorua hoá ethylen Chúng được chuyển hoá thành Polyvinyl Chloride bằng thể nhũ tương (emulssion - E-PVC), bằng thể huyền phù (suspension - S-PVC) hoặc polyme hoá toàn bộ (M-PVC)

C H

H C Cl

H C H

H C Cl

H C H

H

n

Hình 1.4 Cấu trúc của Polyvinyl chloride (PVC)

PVC nguyên chất có dạng bột màu trắng Khi sử dụng thường pha thêm các phụ gia, chất tạo màu để đạt được hình thái và tính chất theo yêu cầu Nhựa PVC dùng cho cả cách điện cáp và làm vỏ bảo vệ của cáp, chúng khác nhau về độ đàn hồi, nhiệt độ chảy, độ cách điện

Tỷ trọng riêng của PVC là 1,3-1,4; nhiệt độ nóng chảy là 160-1900C; có điện trở suất 1013Ω.cm ở 200C, loại đặc biệt có điện trở suất 1015Ω.cm Chúng chịu ẩm tốt, có đặc tính cơ và điện tốt, bền với a xit, kiềm, dầu khoáng và xăng PVC không cháy, vỏ cách điện tiếp xúc trực tiếp với lửa sẽ bị cháy xém nhưng không cháy lan và sẽ tắt khi không còn ngọn lửa Khi chịu tác động của nhiệt

và ánh sáng thì nhựa PVC bị lão hoá Khi nhiệt độ tăng cao thì độ cách điện của nhựa PVC sẽ kém đi, còn khi nhiệt độ quá thấp thì nhựa mất tính đàn hồi

Do tổn hao điện môi lớn (tgδ=7.10-2 ở 90oC so với 8.10-4 của PE), nhựa PVC chủ yếu dùng làm cách điện cho cáp và dây dẫn hạ áp từ 1kV trở xuống, làm vỏ giáp cho cáp điện áp tới 10kV

1.2.3.2 Polyethylene (PE)

PE là vật liệu cao phân tử, cấu trúc mạch thẳng Vật liệu này có tính chất cách điện rất tốt được sử dụng trong công nghệ sản xuất cáp lực dưới cả hai dạng mạch thẳng (polyethylene nhiệt dẻo) và mạch ngang (cross-linked polyethylene XLPE) Công nghiệp hoá chất cung cấp rất nhiều loại polyethylene nhưng chỉ những loại sản xuất đặc biệt tinh khiết, và được ổn định mới được dùng trong công nghệ sản xuất cáp điện

C

H

H C H

H C H

H C H

H C H

H

n

Hình 1.5 Cấu trúc của Polyethyethyle (PE)

PE là loại vật liệu cách điện rất tốt, có nhiều ưu điểm so với các loại cách điện chất dẻo khác như độ bền điện cao, hằng số điện môi tgδ thấp, mật

độ thấp, mềm và chịu ẩm khá tốt Trong số các loại vật liệu polymer hiện nay thì chỉ có polyethylene có thể sản suất với độ tinh khiết cao hơn cả, chứa ít tạp chất nhất nên có thể sử dụng làm cách điện cho cấp điện áp cao

PE được dùng làm cách điện cho cáp điện 5kV ở Hoa Kỳ vào năm

1944 Hiện nay đã xuất hiện các loại cáp cao áp và siêu cao áp đến 420kV cách điện bằng polyethylene

PE là vật liệu dạng rắn màu trắng, một trong những vật liệu polymer nhẹ nhất Trong công nghệ sản xuất vật liệu cách điện từ PE người ta sử dụng hai phương pháp tạo áp lực: dùng áp lực cao cỡ 1000 - 2000at và dùng áp lực thấp cỡ 3 - 4at Sản phẩm cách điện PE từ 2 phương pháp này đều có thành phần hoá học như nhau nhưng có tính chất khác nhau

Loại áp lực thấp kém đàn hồi hơn (cứng hơn) nhưng chịu tác động xăng dầu tốt hơn, tỷ trọng riêng của chúng là 0,94-0,96; nhiệt độ nóng chảy 130-

1400C PE áp lực thấp đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của cách điện và vỏ

giáp của dây dẫn và cáp điện lực, kể cả những yêu cầu cao như chịu tác động

cơ học và nhiệt độ cao

Trong khi đó thì PE áp lực cao có tỷ trọng riêng 0,92-0,93; nhiệt độ nóng chảy 105-1150C; độ cách điện cao; điện trở suất ở 200C khoảng

1017Ω.cm PE áp lực cao cũng mềm dẻo, chịu tác động cơ học tốt, chịu lạnh, đặc biệt chịu tác động trong môi trường hoá chất ăn mòn và độ ẩm cao

Ở nhiệt độ thấp nhựa PE mềm hơn so với PVC, do vậy, cáp lực có cách điện PE dùng tốt cho những nơi chịu sự rung động cao PE chịu tác động của

a xit hữu cơ, rượu cồn nhưng kém chịu tác động của dầu mỏ hơn so với nhựa PVC Nhược điểm của PE là dễ cháy Nhưng với cáp cách điện PE vỏ PVC hay PE có băng thép ngoài thì khó cháy hơn và ngọn lửa không lan truyền dọc theo cáp

Trong điều kiện bình thường, khi lắp đặt cáp không được để tạo ra biến dạng và ứng suất trong cáp Dưới tác động của nhiệt độ và ánh sáng, PE bị lão hoá nhanh, các thành phần của nó bị thay đổi

1.2.3.3 Cross-linked PE (XLPE)

Loại vật liệu cách điện polymer có ưu điểm hơn cả hiện nay là polyethylene mạch vòng, loại polyethylene có cấu trúc không gian XLPE có các đặc tính về điện giống như PE nhiệt dẻo nhưng có nhiều tính chất về nhiệt

và cơ học tốt hơn PE, đặc biệt là chịu được nhiệt độ cao Điều này có ý nghĩa rất quan trọng nếu như tiết diện cáp được chọn theo điều kiện ngắn mạch XLPE là polyethylene được khâu mạch có cấu trúc như hình 1.5 Hiện tại có một số phương pháp liên kết các PE lại thành XLPE phù hợp với các yêu cầu về cách điện cho cáp điện lực Có ba phương pháp chính để tạo liên kết cho XLPE:

Liên kết bằng peroxide

Liên kết bằng chùm tia điện tử (electron beam)

Liên kết bằng cầu siloxane

Hình 1.6 Cấu trúc hoá học của XLPE liên kết bằng peroxide

Hình 1.7 Cấu trúc hoá học của XLPE liên kết bằng chùm tia điện tử

Hình 1.8 Cấu trúc hoá học của XLPE liên kết bằng cầu nối siloxane

Thường thì XLPE được tạo thành bằng cách nung nóng PE mật độ thấp trộn lẫn với các tác nhân liên kết Các tác nhân liên kết ví dụ như Peroxide hữu cơ ở nhiệt độ và áp suất cao tác động trong quá trình liên kết ngang làm cho các phân tử liên kết lại với nhau và làm cho hỗn hợp chuyển sang dạng nhựa dẻo chịu nhiệt Nhựa Polyethylene ban đầu trở thành dạng nhựa nhiệt dẻo ở nhiệt độ 1200C, khi đó các chuỗi liên kết yếu giữa các phân tử khác tách

ra Chuỗi liên kết phân tử bền vững XLPE tạo ra các cơ tính tốt ở nhiệt độ cao Đây là lý do chất bọc cách điện XLPE có thể sử dụng với nhiệt độ dây dẫn cao hơn PE Sau đây là một số tính chất vật lý của XLPE:

1.2.4 Vỏ bảo vệ

Với cường độ điện trường làm việc cao, cáp rất nhạy cảm với độ ẩm

Để ngăn cảm nước và hơi nước thấm sâu vào trong cáp, nó phải được bảo vệ bởi lớp vỏ bọc bằng chất dẻo polyethylene Bên ngoài lớp cách điện đặt một lớp vỏ kim loại kín bằng nhôm hoặc chì đùn trực tiếp, không hàn hoặc bằng đồng hàn hoặc đấu nối

1.2.5 Vỏ bảo vệ (protective sheath)

Với cường độ điện trường làm việc cao, cáp rất nhạy cảm với độ ẩm

Để ngăn cảm nước và hơi nước thấm sâu vào trong cáp, nó phải được bảo vệ bởi lớp vỏ bọc bằng chất dẻo polyethylene hoặc PVC Bên ngoài lớp cách điện đặt một lớp vỏ kim loại kín bằng nhôm hoặc chì đùn trực tiếp, không hàn hoặc bằng đồng hàn hoặc đấu nối

Trong các mạch cung cấp điện khi cáp lực đặt trong môi trường ẩm ướt, lớp vỏ bảo vệ được sử dụng công nghệ chống thấm dọc và ngang Cáp trung

áp chống thấm có thể là 1 lõi, 3 lõi nhưng cáp 1 lõi được ưa chuộng hơn cả vì đặc tính chống thấm hoàn hảo hơn

1.2.6 Vỏ bọc sắt (armour)

Vỏ bọc bắng thép che chắn bảo vệ cáp chống các va đập Cáp cao áp cách điện polymer có lớp màn kim loại bằng đồng Lớp vỏ bọc bằng băng thép cũng có thể sử dụng như màn chắn trong cáp nhiều lõi cách điện polymer Cáp

1 lõi trong hệ thống 3 pha xoay chiều về nguyên tắc không có lớp vỏ bọc sắt để tránh tổn thất phụ Tuy vậy cần sử dụng lớp vỏ bọc sắt bằng vật liệu không từ tính nếu cáp chịu tác động cơ học lớn trong quá trình hoặc sau khi lắp đặt

1.2.7 Vỏ che chắn điện (electrical screening)

Cách điện PE và XLPE rất nhạy cảm với phóng điện cục bộ trong các khe hở và các lỗ trống trong cáp Lớp bán dẫn điện trong giữa lõi cáp và lớp cách điện, lớp bán dẫn ngoài phủ trực tiếp lên lớp cách điện

Trong các mạch có dây trung tính nối đất trực tiếp, màn chắn còn cần có tiết diện đủ lớn để tải dòng điện ngắn mạch pha đất Để giải quyết yêu cầu này, kết cấu màn chắn kết cấu màn chắn sợi đồng hoặc kết cấu màn chắn kết hợp băng sợi sẽ thay thế màn chắn bằng đồng Màn chắn kim loại được thiết kế để chịu được dòng điện ngắn mạch pha - đất đến 10, 16 kA/1s hoặc cao hơn

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐẶT VÀ QUY ĐỊNH VẬN HÀNH PHỔ BIẾN HIỆN NAY

1.3.1 Các phương pháp lắp đặt cáp ngầm phổ biến

1.3.1.1 Đặt cáp trực tiếp trong đất:

Cáp đặt vào rãnh đào sẵn sau đó lấp lại bằng cát hay bằng các vật liệu

có nhiệt trở thấp Ưu điểm của phương pháp này là dễ dàng kéo và lắp đặt cáp dẫn đến thời gian thi công nhanh Giá thành của công trình hạ và cáp được đặt trong môi trường có khả năng tản nhiệt tốt Nhược điểm của phương pháp này

là trong quá trình thi công vỏ bọc của cáp dễ bị hư hỏng, khả năng chống va chạm cơ khí kém dẫn đến tăng sự cố cáp do tác nhân bên ngoài va chạm vào cáp Bên cạnh đó đối với cáp đơn một pha khi thi công sẽ khó đảm bảo khoảng cách giữa các pha ảnh hưởng đến khả năng tải của cáp

1.3.1.2 Đặt cáp trong ống (khối cáp, máng cáp):

Cáp được luồn trong các đường ống bằng kim loại, ống nhựa composit, hoăc PVC chịu áp lực Ưu điểm của phương pháp này là dễ dàng mở rộng và thay thế cáp và ít là hư hỏng vỏ cáp trong quá trình lắp đặt Nhược điểm của phương pháp này là giá thành công trình tương đối cao

1.3.1.3 Đặt cáp trong không khí và trong mương cáp xây bê tông:

Cáp có thể đặt tại các mương cáp được xây dựng riêng hoặc có thể đi chung trong các tuyến kỹ thuật dùng cho các mục đích khác nhau (thông tin, cáp quang, ) Ưu điểm của phương pháp này là có thể dễ dàng lắp đặt nhiều mạch cáp, cáp được tản nhiệt tốt và dễ dàng bảo dưỡng trong quá trình vận

hành Nhược điểm của phương pháp này là giá thành rất cao và đòi hỏi thời gian thi công dài

1.3.2 Các quy định vận hành hiện nay

Trong công tác quản lý vận hành đường cáp ngầm điện lực hiện nay chủ yếu quan tâm đến việc kiểm tra phụ tải và nhiệt độ của các đường cáp ngầm điện lực:

- Dòng điện phụ tải lớn nhất cho phép của các đường cáp được quy định theo mùa và kiểm tra định kỳ sao cho dù trong điều kiện bất lợi nhất ruột cáp không được vượt quá 500C với cáp ngầm điện áp đến 35kV

- Nhiệt độ của ruột cáp trong thực tế có thể được tính bằng nhiệt độ vỏ cáp cộng với 200C

Việc một đường cáp vận hành với dòng điện nhỏ hơn dòng điện lớn nhất cho phép theo quy định nhưng đường cáp vẫn bị nóng quá tiêu chuẩn cho phép là hiện tượng rất hay gặp trong vận hành Hiện tượng này làm ảnh hưởng rất lớn đến khả năng tải của hệ thống cáp ngầm trong vận hành

Nguyên nhân của hiện tượng này liên quan nhiều đến môi trường đặt cáp cũng như phương pháp lắp đặt cáp trước khi đưa vào vận hành Đồng thời đây cũng là một trong những nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự cố của các đường cáp ngầm mà ta cần phải nghiên cứu để có biện pháp khắc phục

1.4 ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ CÁP NGẦM TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP TP HÀ NỘI

1.4.1 Tình hình phát triển cáp ngầm tại Hà Nội

Tại Hà Nội, lưới điện do Công ty Điện lực Hà Nội quản lý rất đa dạng

do yếu tố lịch sử để lại, bao gồm nhiều cấp điện áp khác nhau, các thiết bị trên lưới không đồng bộ Trước năm 1954 lưới điện của thành phố Hà Nội do thực dân Pháp xây dựng chủ yếu là đường dây trên không, chỉ có rất ít các đường cấp ngầm đi trong khu vực nội thành, sử dụng cáp ngầm cách điện giấy dầu

6kV ruột đồng tiết diện 3x50 đến 3x70mm2 Sau khi tiếp quản thủ đô Công ty Điện lực Hà Nội lúc đó là Nhà máy đèn Bờ Hồ đã quản lý, khôi phục lại lưới điện bị phá huỷ nặng nề trong chiến tranh và thực hiện nhiệm vụ cấp điện cho thủ đô Suốt một thời gian dài cho đến cuối những năm 80 của thế kỷ XX lưới điện trung thế được sự giúp đỡ và chịu ảnh hưởng của các nước như Liên Xô, Trung Quốc việc phát triển lưới điện ngầm chủ yếu sử dụng cáp cách điện giấy tẩm dầu Tuy nhiên ngoài cáp điện áp vận hành 6kV còn có các tuyến cáp đến 10kV, 35kV và đa dạng hơn về vật liệu (cáp đồng, cáp nhôm), chủng loại (đến 240mm2)

Từ đầu những năm 90 của thế kỷ XX tình hình phát triển kinh tế của đất nước có những bước tăng trưởng mạnh mẽ kéo theo nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng cao, chính vì vậy công tác phát triển nguồn và lưới điện đã được đặc biệt quan tâm Bên cạnh sự tan rã của Liên Xô cũ chúng ta đã dần tiếp cận và đưa vào sử dụng khoa học và công nghệ của các nước tiên tiến trên thế giới và bắt đầu sử dụng cáp điện trung thế cách điện XLPE để nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp điện, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng của khách hàng và giảm tổn thất điện năng Cáp cách điện XLPE

đã được sử dụng tại tất cả các cấp điện áp trên lưới điện trung thế của Hà Nội 6kV, 10kV, 22kV, 35kV Cũng từ đó Công ty đã thường xuyên đầu tư mở rộng, nâng cấp và cải tạo lưới điện đặc biệt đẩy mạnh chương trình hạ ngầm lưới điện để đảm bảo mỹ quan đô thị Tính đến cuối năm 2008, tổng chiều dài cáp ngầm lưới phân phối trên địa bàn thành phố Hà Nội đã lên tới 1.539 km Theo chương trình của Công ty Điện lực Hà Nội, phấn đấu đến năm 2010 sẽ ngầm hoá được 60% lưới điện phân phối

Tình hình sử dụng cáp ngầm tại Hà Nội được thể hiện ở hình 1.9, và tình hình sử dụng cáp ngầm trung thế cách điện XLPE được thể hiện trên hình 1.10

C¸p c¸ch ®iÖn giÊy dÇu (km)

Hình 1.10 Biểu đồ phát triển giữa cáp trên lưới điện trung thế Hà Nội

N¨m 2006

CÊp ®iÖn ¸p 6kV 22%

CÊp ®iÖn ¸p 10kV 18%

N¨m 2007

CÊp ®iÖn ¸p 6kV 19%

CÊp ®iÖn ¸p 10kV 17%

CÊp ®iÖn ¸p 22kV 61%

CÊp ®iÖn ¸p 35kV 3%

N¨m 2008

CÊp ®iÖn ¸p 6kV 14%

CÊp ®iÖn ¸p 10kV 16%

CÊp ®iÖn ¸p 22kV 65%

CÊp ®iÖn ¸p 35kV 5%

Hình 1.11 Biểu đồ phát triển cáp ngầm theo điện áp trên lưới điện TP Hà Nội

1.4.2 Tình hình sự cố về cáp ngầm trên lưới điện trung thế tại Hà Nội

Tính đến 31-12-2008 tổng chiều dài cáp ngầm lưới phân phối trên địa bàn thành phố Hà Nội đã lên tới 1539 km gồm các cấp điện áp khác nhau và nhiều loại cáp khác nhau, trong đó còn một lượng (gần 6%) cáp 6-10 kV và

35 kV cách điện giấy tẩm dầu vẫn còn đang được sử dụng

Tình hình sự cố của hệ thống cáp ngầm trung áp cách điện XLPE (chủ yếu là cáp 22 kV) được thể hiện trên hình 1.12 và 1.13

§µo, va ch¹m c¸p 17%

ChÊt

l−îng c¸p

62%

Nguyªn nh©n kh¸c 0%

Sè liÖu sù cè cÁp n¨m 2008

SC §Çu c¸p, hép nèi 15%

§µo, va ch¹m c¸p 21%

ChÊt l−îng c¸p 61%

Nguyªn nh©n kh¸c 3%

Hình 1.13 Phân loại các dạng sự cố cáp ngầm trên lưới điện TP Hà Nội

Sự cố trên hệ thống cáp ngầm thường ở những dạng sau đây:

1.4.2.1 Đào phải cáp chôn ngầm

Phần lớn các tuyến cáp ngầm được chôn trực tiếp dưới hè đường Với tốc độ phát triển kinh tế như hiện nay không chỉ riêng ngành điện tập trung vào công tác phát triển cải tạo hệ thống điện Các lĩnh vực khác như xây dựng, giao thông, bưu điện, cấp thoát nước cũng đều sử dụng chung hè

đường Do không có qui hoạch rõ ràng lên các công trình ngầm thường đan chéo nhau, xếp chồng lên nhau, chính vì vậy việc có va chạm cơ học dẫn đến

sự cố cáp là khó tránh khỏi Để hạn chế vấn đề này đòi hỏi cáp phải có lớp đai thép bên ngoài để bảo vệ cáp hoặc vỏ bọc cáp cấu tạo kiểu túi khí đàn hồi,

có tác dụng tăng chiều dài dòng rò của đầu cáp khi vận hành dính vào nhau

Do chủng loại hộp nối đầu cáp lựa chọn không đúng yêu cầu kỹ thuật

ví dụ như không không đạt khả năng chịu được dòng ngắn mạch vì vậy khi xuất hiện dòng điện ngắn mạch lớn các dây tiếp đất (thường là băng đồng hoặc màn đồng) có tiết điện nhỏ không chịu được dòng điện ngắn mạch thoát

về đất, dẫn đến phá hỏng đầu cáp, hộp nối

Do lão hoá cách điện của đầu cáp, hộp nối

Hình 1.14 Sự cố đánh thủng cách điện đầu cáp

1.4.2.3 Các sự cố hư hóng cách điện

Các sự cố hư hỏng cáp xảy ra do một số nguyên nhân sau:

- Do điều kiện vận hành khắc nghiệt: chịu tải lớn, môi trường và khí hậu xung quanh khắc nghiệt: nóng ẩm, mưa nhiều, dông sét nhiều

Qua kinh nghiệm trong vận hành lưới điện phân phối cho thấy có mối liên quan giữa cường độ hoạt động dông sét và suất sự cố của cáp chôn ngầm dưới đất

- Do chất lượng cáp: Điều này có thể hiểu như cáp đã không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của lưới điện như không chịu được dòng điện ngắn mạch theo yêu cầu khi sự cố lưới, cáp đơn một lõi sử dụng vỏ bọc kim loại có

từ tính

Hình 1.15 Sự cố cháy cáp

- Do cáp được chôn trong đất nên tác động của môi trường xung quanh cần được nghiên cứu Kinh nghiệm vận hành cho thấy khi giải quyết các sự cố cáp chúng ta thấy xuất hiện một lượng nước tồn tại đáng kể trong lõi cáp do yếu tố tác động bên ngoài cáp như thi công không bịt đầu cáp, nước thấm vào cáp khi bị sự cố đánh thủng cách điện Sự cố hỏng cáp do yếu tố môi trường chiếm một tỷ trọng không nhỏ trong tổng số các vụ sự cố cáp ngầm Điều này

đã nói lên tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phân tích hiện tượng lão hoá cách điện XLPE của cáp điện lực do môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, các hoá

chất trong đất, những yếu tố gây ra hiện tượng lão hoá chủ yếu trong cáp điện lực trung thế với cách điện XLPE

Hình 1.16 Sự cố cháy cáp

Có thể nói rằng đối với cáp ngầm trung thế với cách điện XLPE, các yếu tố môi trường đóng một vai trò quan trọng trong các vụ sự cố Theo cơ chế lão hoá cách điện XLPE do môi trường như đã phân tích ở phần trên, có thể nhận định như sau:

Sau một thời gian vận hành; do điều kiện thời tiết nóng ẩm, mưa nhiều, một lượng nước nhất định đã thẩm thấu qua lớp vỏ bảo vệ lọt vào phía trong tới lớp cách điện XLPE của cáp Dưới tác động của điện trường trong vận hành, nước thẩm thấu vào lớp XLPE cách điện tại những nơi khuyết tật, vết rạn, tạp chất và hình thành nên những cây nước Các cây nước phát triển và

có tại những vị trí nhất định, chúng kéo hết tất cả bề dày của cách điện, tới tận lõi dẫn điện, gây ra sự suy giảm độ bền cách điện của cách điện XLPE Ở trạng thái như vậy, cáp vẫn có thể vận hành mà không gây ra sự cố đánh thủng cách điện Nhưng khi xảy ra quá trình quá điện áp mà thường là các cú phóng điện sét trực tiếp vào các đầu cáp, hoặc lan truyền từ nơi khác vào đường cáp, nếu xung quá điện áp đủ lớn, cách điện đã bị suy yếu do cây nước

sẽ không chịu đựng nổi; ngắn mạch sẽ xảy ra gây sự cố đánh thủng cách điện tại những vị trí cây nước phát triển nhiều và dài nhất

1.5 KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ

Hiện nay trên lưới điện trung áp, việc sử dụng cáp ngầm cách điện XLPE đã rất phổ biến với rất nhiều ưu điểm vượt trội đặc biệt là khả năng mang tải lớn cả trong chế độ vận hành bình thường và sự cố ngắn mạch,… vì

có khả năng chịu nhiệt cao hơn

Từ những hiểu biết cơ bản nhất về cấu tạo của cáp ngầm cách điện XLPE và các số liệu thống kê sự cố xảy ra trong hệ thống cáp ngầm của Công

ty Điện lực TP Hà Nội, ta thấy việc thi công, lắp đặt cũng như công tác vận hành hệ thống cáp ngầm không đúng là các nguyên nhân chính làm giảm khả năng tải, giảm tuổi thọ cách điện cáp và dễ gây ra sự cố của tuyến cáp

Chính vì vậy, việc lựa chọn phương án thi công lắp đặt cáp, chọn cấu hình bố trí cáp hợp lý cũng như các biện pháp quản lý vận hành tuyến cáp có ảnh hưởng lớn đến khả năng tải, suất sự cố cũng như giá thành xây dựng của đường cáp

Trong khuôn khổ bản luận văn này, ta sẽ tập trung nghiên cứu các ảnh hưởng của kỹ thuật lắp đặt và vận hành hệ thống cáp ngầm đến khả năng tải, tuổi thọ, suất sự cố của hệ thống cáp ngầm từ đó rút ra các nhận xét, đánh giá, lựa chọn phương án tối ưu cho việc lắp đặt cũng như vận hành hệ thống cáp ngầm trong lưới điện trung áp của Thành phố Hà Nội

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH CÁP NGẦM SỬ DỤNG CÁCH ĐIỆN XLPE TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP

2.1 CÁC PHƯƠNG THỨC LẮP ĐẶT CÁP NGẦM

2.1.1 Yêu cầu chung

- Việc xây dựng đường cáp phải theo đúng các yêu cầu trong qui định hiện hành về bảo vệ an toàn lưới điện cao áp Hành lang bảo vệ đường cáp ngầm giới hạn như sau:

+ Chiều dài: tính từ vị trí cáp chui ra khỏi ranh giới phạm vi bảo vệ của trạm này đến trạm kế tiếp

+ Chiều rộng: giới hạn bởi 2 mặt phẳng thẳng đứng và song song về 2 phía của tuyến cáp (đối với cáp đặt trực tiếp trong đất, trong nước) hoặc cách mặt ngoài của mương cáp (đối với cáp đặt trong mương) về mỗi phía được quy định trong bảng sau:

Loại cáp

điện

Đặt trong mương

Đất ổn định

Đất không

ổn định

Không có tàu thuyền qua lại

Có tàu thuyền qua lại

Kh/cách, m 0,5 1,0 1,5 20 100

Bảng 2.1 Chiều rộng giới hạn của đường cáp ngầm

+ Chiều sâu: tính từ vị trí đáy móng công trình đặt cáp điện lên đến mặt đất hoặc mặt nước tự nhiên

- Tuyến cáp phải được chọn sao cho ngắn nhất và đảm bảo an toàn không bị hư hỏng về cơ học, chấn động, bị gỉ, bị nóng quá mức quy định hoặc

bị ảnh hưởng tia hồ quang của các đường cáp đặt gần gây ra Cần tránh đặt các dây cáp bắt chéo lên nhau hoặc lên đường ống dẫn khác

- Để tránh cho đường cáp khỏi bị hư hỏng và bị các lực cơ học nguy hiểm trong quá trình lắp ráp và vận hành, phải thực hiện các yêu cầu sau đây:

+ Cáp phải có dự phòng theo chiều dài đủ để có thể co giãn được khi

đất bị dịch chuyển hoặc biến dạng do nhiệt độ của bản thân cáp cũng như kết

cấu đặt cáp Cấm dự phòng cáp theo kiểu khoanh vòng

+ Cáp đặt nằm ngang trên các kết cấu, tường xà, phải được cố định chặt

ở điểm cuối, ở cả hai phía của đoạn cáp uốn và tại hộp nối

+ Cáp đặt thẳng đứng theo các kết cấu, theo tường phải được kẹp, gia

cố sao cho không bị biến dạng vỏ bọc, không làm hỏng cáp và chỗ nối do tác

động của trọng lượng bản thân cáp

+ Kết cấu đỡ cáp loại không bọc vỏ thép cần phải tránh hư hỏng cơ học

cho vỏ cáp, tại các điểm gia cố chặt cần có đệm lót đàn hồi

+ Các loại cáp (kể cả cáp bọc thép) đặt ở những chỗ ôtô qua lại, chuyên

chở máy móc, hàng hóa, người qua lại v.v phải được bảo vệ chống va chạm

+ Khi đặt cáp mới bên cạnh cáp đang vận hành phải có biện pháp để

không làm hỏng cáp đang vận hành

- Độ căng của cáp khi đặt và kéo được xác định mức căng cơ học có thể

chịu được của ruột và vỏ bọc cáp theo qui định của nhà chế tạo Khi uốn cáp,

bán kính cong phải thực hiện theo yêu cầu của nhà chế tạo cáp (không nêu cụ

thể 10 lần và 3 lần)

- Trên tuyến cáp ngầm phải có mốc đánh dấu tuyến cáp Tuyến của mỗi

đường cáp ngầm trong đất hoặc trong nước phải có bản đồ mặt bằng ghi rõ

đầy đủ các tọa độ tương ứng so với các mốc có sẵn của công trình đã xây

dựng hoặc so với các mốc đặc biệt Ở những chỗ có hộp cáp cũng phải đánh

dấu trên bản đồ

2.1.2 Lựa chọn loại cáp

- Cáp đặt trực tiếp trong đất hoặc trong nước phải là cáp có lớp bảo vệ

chịu va đập cơ học Lớp bảo vệ của cáp phải chịu được tác động cơ học khi

lắp đặt ở bất kỳ vùng đất nào, kể cả khi kéo cáp, luồn cáp qua khối hoặc ống

Formatted: Bullets and Numbering