Nghiên cứu quy trình lắp đặt và khả năng tải điện của cáp trung áp

Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến khả năng tải của cáp Hình 17: Chiều dài cách điện của cáp ba pha có đai Hình18: Điện trường trong cáp cách điện một lớp Hình 19: Điện trường trong c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-oOo -

NGUYỄN ĐỨC KHÁNG

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH LẮP ĐẶT

VÀ KHẢ NĂNG TẢI ĐIỆN CỦA CÁP TRUNG ÁP

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

Hà Nội - Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN

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

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố

Tác giả

Nguyễn Đức Kháng

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TẠO CÁP ĐIỆN TRUNG ÁP 3

1.1 Vật liệu dẫn điện trong cáp điện 4

1.1.1.Yêu cầu kỹ thuật 4

1.1.2.Đồng (Cu) 4

1.2 Vật liệu cách điện trong cáp điện 10

1.2.1.Phân loại vật liệu cách điện 10

1.2.2.Vật liệu polyme 10

1.2.3 Hỗn hợp cách điện 13

1.2.4 Nhựa cách điện 14

1.2.5 Nhựa thiên nhiên 15

1.2.5.1 Cánh kiến 15

1.2.5.2.Nhựa thông (colofan) 17

1.2.5.3.Nhựa côpan 17

1.2.5.4 Nhựa đường 18

1.3 Giới thiệu chung vể cáp ngầm điện lực 19

1.3.1 Khái quát về cáp ngầm điện lực 19

1.3.2 Phân loại cáp ngầm điện lực 21

1.3.2.1 Theo kết cấu cách điện 21

1.3.2.2.Theo vật liệu chế tạo lõi cáp 25

1.3.2.3.Theo nhiệm vụ 26

1.3.3 Nhận xét 26

1.4 Cấu tạo cáp cách điện polyme 27

1.4.1 Cấu tạo chung 27

1.4.2 Các đặc tính của cáp 33

1.4.2.1 Khả năng tải của cáp 33

1.4.2.2 Điện áp định mức 35

1.4.2.3 Dòng ngắn mạch định mức 36

1.4.2.4 Lựa chọn cáp 37

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH LẮP ĐẶT CÁP 38

2.1 Yêu cầu chung 38

2.2.Lựa chọn phương thức đặt cáp 40

2.3.Lựa chọn loại cáp 41

2.4 Lắp đặt cáp 44

2.4.1 Đặt cáp trong đất 46

2.4.2.Đặt cáp trong khối cáp và máng cáp 50

2.4.3 Nối đất 51

2.5 Nhận xét 53

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TẢI CỦA CÁP TRUNG ÁP 55

3.1 Phân bố điện trường – Từ trường cáp điện 55

3.1.1 Điện trở trong cáp điện 55

3.1.2 Điện trường trong cáp điện 55

3.1.2.1 Điện trường trong cách điện một lớp 55

3.1.2.2 Điện trường trong cách điện có nhiều lớp 57

3.1.2.3 Điện trường trong cách điện phân chia bằng màn chắn 59

3.1.2.4.Độ từ cảm và điện kháng của đường dây 62

3.1.2.4.1.Tự cảm 62

3.1.2.4.2 Hỗ cảm 63

3.1.2.4.3 Độ từ cảm và điện kháng của dây dẫn 63

3.2 Dung dẫn của đường dây 65

3.2.1 Cường độ điện trường 65

3.2.2 Điện dung của cáp đơn pha 65

3.3 Xác định hỗ cảm giữa các dây dẫn 67

3.4 Nhận xét 69

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA CÁP NGẦM TRUNG ÁP CÁCH ĐIỆN XLPE 71

4.1 Giới thiệu về phần mềm CYMCAP 71

4.1.1 Tổng quan về CYMCAP 71

4.1.2 Giao diện của CYMCAP (GUI) 71

4.3.Tính khả năng mang dòng của cáp ngầm trung áp cách điện XLPE theo thông số của Nhà sản xuất 78

4.3.2 Trường hợp: Ba pha đặt trong ống, bố trí cấu hình nằm ngang 84

4.3.3 Trường hợp: Ba pha chôn trực tiếp, bố trí cấu hình tam giác 86

4.3.4 Trường hợp: Cáp 3 lõi, ba pha chôn trực tiếp 87

4.3.5 Trường hợp: Cáp 3 lõi, ba pha đặt trong ống 88

4.4 Khảo sát sự ảnh hưởng của môi trường lắp đặt đến khả năng mang tải của cáp ngầm 90

4.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt trở suất của đất đến khả năng mang dòng của cáp 90

4.4.1 Ả/h của nhiệt độ môi trường lắp đặt đến khả năng mang dòng của cáp 91

4.4.3 Ảnh hưởng của độ sâu chôn cáp đến khả năng mang dòng của cáp 92

KẾT LUẬN 93

Những đóng góp của luận văn 95

1.Quy trình lắp lắp đặt cáp 95

2 Phân bố dòng điện trên hệ thống cáp điện 95

3 Tính toán khả năng tải của cáp điện trung áp 96

PHỤLỤC2:ĐẶCĐIỂMKỸTHUẬTRIÊNG 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

Hình 3: Quan hệ ε và tg δ theo nhiệt độ khí f = 50 Hz của Colofan

Hình 4: Quan hệ tg δ = f(t°) ở tần số 50 Hz đối với nhựa đường

БH - V: đường 1;  : đường

Hình 5: Cáp một lõi có vỏ bọc

Hình 6: Cấu tạo cáp điện ba pha

Hình 7: Phân bổ điện thế khi có lớp bán dẫn

Hình 8: Cáp điện một lõi 0,6/1(1,2)kV cách điện XLPE

Hình 9: Cáp điện ba lõi 0,6/1(1,2)kV cách điện XLPE

Hình 10: Cáp điện một lõi 3,6/24 kV cách điện XLPE

Hình 11: Cáp điện ba lõi 3,6/24 kV cách điện XLPE

Hình 1.12: Cáp điện hạ thế vặn xoắn trên không ba lõi

Hình 13: Cáp điện hạ trung thế vặn xoắn trên không ba lõi cách điện XLPE Hình 14: Một số loại đầu cáp trong nhà và ngoài trời

Hình 15: Đầu nối cáo elbow

Hình 16 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến khả năng tải của cáp

Hình 17: Chiều dài cách điện của cáp ba pha có đai

Hình18: Điện trường trong cáp cách điện một lớp

Hình 19: Điện trường trong cách điện nhiều lớp

Hình 20: Điện trường trong cách điện phân chia bằng màn chắn

Hình 21: Điện dung của các loại cáp khác nhau

Hình 22: Giao diện chính của phần mềm CYMCAP

Hình 23: Các thư viện trong cửa sổ Navigator

Hình 24: Các kiểu lắp đặt của CYMCAP

Hình 25: Các thư viện trong cửa sổ Navigator

Hình 26 Cấu trúc của cáp LS Vina Cables

Hình 27: Cấu trúc của cáp LS Vina Cables

Hình 28: Cáp đơn pha 24kV thiết lập bằng CYMCAP

Hình 29: Cáp 3 lõi 24kV thiết lập bằng CYMCAP

Hình 30: Cáp 3 pha chôn trực tiếp, bố trí cấu hình ngang

Hình 31: Kết quả tính toán cáp 3 pha chôn trực tiếp, cấu hình ngang

Khả năng mang dòng do nhà sản xuất cung cấp, dòng điện tính toán Hình 32: Nhiệt độ của lõi dẫn theo đồ thị phụ tải

Hình 33: Cáp 3 pha đặt trong ống, bố trí nằm ngang

Hình 34: Kết quả tính toán cáp 3 pha đặt trong ống, cấu hình ngang

Hình 35: Nhiệt độ của lõi dẫn theo đồ thị phụ tải

Hình 36: Cáp 3 pha đặt chôn trực tiếp, cấu hình tam giác

Hình 37: Kết quả tính toán cáp 3 pha chôn trực tiếp, cấu hình tam giác Kết quả tính toán cho thấy, cùng một loại cáp, cùng một điều kiện lắp Hình 38: Cáp 3 pha 3 lõi cấu hình chôn trực tiếp

Hình 39: Kết quả tính toán cáp 3 pha, 3 lõi chôn trực tiếp

Hình 40: Cáp 3 pha 3 lõi cấu hình đặt trong ống

Hình 41: Kết quả tính toán cáp 3 pha, 3 lõi đặt trong ống

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Hằng số vật lý và các tính chất hoá học

Bảng 2: So sánh các tham số của đồng, đồng thanh, đồng thau

Bảng.3: Các hằng số và hóa học chính của nhôm

Bảng 4: Cấp cách điện và chủng loại vật liệu

Bảng 5: Ứng dụng vật liệu cách điện trong điện công nghiệp

Bảng 6: Đặc tính của các loại nhựa tổng hợp điển hình

Bảng 7: Nhiệt độ hoá dẻo của nhựa đường

Bảng 8: Nhiệt độ quá tải sự cố của cáp cách điện cao su

Bảng 9 : Mật độ dòng điện cho phép (A/mm2)

Bảng 10: Bán kính cong cực đại của cáp

Bảng 11: Lực kéo tối đa cho phép của cáp

Bảng 12: Điện kháng x1 (thứ tự thuận) một pha cua cáp bện ba lõi vỏ sắt Bảng 13: Hằng số điện môi một số vật liệu cách điện

Bảng 14: Thông số kết cấu cáp đơn1sợi theo Nhà sản xuất

Bảng 15: Thông số kết cấu cáp 3 lõi theo Nhà sản xuất

Bảng 16: Thông số lắp đặt, điều kiện mang tải theo Nhà sản xuất

Bảng 17: Khả năng mang dòng của cáp 240mm2, chôn trực tiếp

Bảng 18: Khả năng mang dòng của cáp 240mm2, đặt trong ống

Bảng 19: Ảnh hưởng của nhiệt trở suất đến khả năng mang tải của cáp Bảng 20: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường lắp đặt đến khả năng

mang tải của cáp

Bảng 21: Ảnh hưởng của độ sâu lắp đặt đến khả năng mang tải của cáp

MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của các đô thị hiện nay, mật độ phụ tải điện ngày càng cao gây sức ép lớn đến việc cung cấp điện Hệ thống cung cấp điện ngoài yếu tố kỹ thuật còn phải đảm bảo yếu các tố mỹ quan, cảnh quan đô thị không chỉ trong các toà nhà, các đường dây trên không trong thành phố đã và đang được thay thế bằng

hệ thống cáp ngầm tại mọi cấp điện áp Việc ứng dụng cáp điện ngày nay trở nên phổ biến và là yêu cầu bắt buộc đối với tất cả các công trình xây dựng mới cũng như cải tạo

Để đáp ứng được nhu cầu của xã hội, ngày càng nhiều chủng loại cáp ra đời đáp ứng các yêu cầu của người sử dụng Cùng với đó đòi hỏi người thiết kế phải quan tâm đến các đặc điểm riêng biệt của từng loại cáp nhằm đạt được ứng dụng tốt nhất trong công trình

Với mật độ phụ tải cao, việc sử dụng cáp điện có tiết diện lớn gây không ít khó khăn trong việc thi công cũng như vận chuyển Không dừng ở đó, với điều kiện không gian hạn chế và thi công thủ công bằng sức người việc sử dụng cáp ba pha ba dây (với cáp trung, cao thế), ba pha bốn dây (với cáp hạ thế) trở nên không khả thi trong nhiều trường hợp Từ yêu cầu thực tế cho thấy, việc nghiên cứu lắp đặt cáp và tính toán khả năng tải điện của cáp trung áp là cần thiết Do mỗi loại cáp có các đặc điểm riêng biệt của mình, khi sử dụng cáp điện trung áp cũng đòi hỏi người thiết kế phải quan tâm và giải quyết một số yêu cầu kỹ thuật trong quá trình sử dụng

- Để truyền tải dòng điện lớn cần sử dụng hệ thống nhiều cáp điện song song Trong quá trình vận hành xảy ra trường hợp dòng điện trên các sợi cáp không bằng nhau dẫn đến quá tải trên một số sợi cáp có dòng điện lớn, gây già hóa và hư hỏng cách điện và cũng là nguyên nhân gây nên nhiều sự cố cháy nổ

- Để bảo vệ được tác động cơ học yêu cầu cáp điện phải có lớp vỏ giáp cứng chắc bảo vệ Lớp giáp bảo vệ cáp đơn pha, 3 pha phải được chế tạo từ các vật liệu phi từ tính, xong dưới tác dụng của điện trường do dòng điện của bản thân sợi cáp cũng như các sợi cáp của pha khác đã cảm ứng nên một điện áp trên vỏ giáp bảo vệ này Trong quá trình vận hành, điện áp cảm ứng này gây mất an toàn cho người vận

hành cũng như có thể phát sinh phóng điện khi có giá trị đủ lớn Việc hạn chế cũng như khống chế được điện áp cảm ứng này trở thành yêu cầu bắt buộc đối với việc ứng dụng cáp điện đơn pha trong các công trình điện

- Vì vậy, ngay trong quá trình thiết kế, thi công cũng như vận hành lâu dài các tuyến cáp điện cần liên tục quan sát cũng như kiểm tra nhằm đạt được hiệu quả kinh

tế cao nhất

- Với các lý do trên, việc nghiên cứu của đề tài là cần thiết

- Để hoàn thành bản luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Nguyễn Đình Thắng - Đại học Bách Khoa Hà Nội, người

đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

- Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện, những người đã truyền đạt, trang bị cho chúng tôi kinh nghiệm, kiến thức nền tảng vững chắc trong suốt khóa học vừa qua

- Do tài liệu tham khảo cũng như thời gian và khả năng nghiên cứu còn nhiều hạn chế, bản luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự bổ sung, góp ý hoàn thiện nội dung từ các thầy, các chuyên gia và bạn

bè đồng nghiệp cho bản luận văn này

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2014

HỌC VIÊN

Nguyễn Đức Kháng

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TẠO CÁP ĐIỆN TRUNG ÁP 1.1 Vật liệu dẫn điện trong cáp điện

1.1.1.Yêu cầu kỹ thuật

- Vật liệu dẫn điện phải đảm bảo khả năng truyền tải dòng công suất một cách kinh tế và hiệu quả Việc lựa chọn vật liệu dẫn điện, kích thước phải thoả mãn một

số điều kiện:

- Khả năng mang tải

- Phù hợp với cấp điện áp

- Tổn thất thấp

- Tính mềm dẻo, khả năng chịu uốn tốt

- Thoả mãn các điều kiện kinh tế

sẽ làm tăng điện trở suất vì vậy việc sử dụng hợp kim đồng được hạn chế, chỉ chế tạo đối với những chi tiết có yêu cầu cơ khí cao hoặc ở những chi tiết mà điện trở không đóng vai trò quan trọng Hợp kim của đồng với cadimi Cd, Al,

Sn, Ni, Zn sẽ tăng sức bền khi kéo và tăng tính chịu nhiệt

- Như vậy, các ưu điểm của Cu làm cho nó được dùng rộng rãi để làm vật dẫn là:

- Điện trở suất bé, chỉ lớn hơn Ag nhưng do Ag đắt tiền hơn nên ít được sử dụng

- Có sức bền cơ học lớn

- Có thể chịu được tác dụng của sự ăn mòn (đồng chỉ bị oxi hoá nhiều ở nhiệt

độ cao, còn khi làm việc trong môi trường có độ ẩm cao Cu bị oxi hoá chậm hơn so với Fe)

- Dễ gia công: Cán mỏng thành lá, kéo thành sợi

- Dễ hàn, nối

Hình 1: Quan hệ giữa tốc độ ôxi hoá với nhiệt độ của sắt, volfram,

đồng, crôm, niken (trong không khí)

- Điện dẫn của Cu có thể thay đổi rất mạnh khi có tạp chất Ví dụ nếu trong đồng có 0,5% Zn, Cd, Mg thì điện dẫn của Cu có thể giảm đi 5%, và nếu cũng có chừng đó các chất Ni, Sn, AI thì có thể giảm đến 25% - 40%; còn nếu có tạp chất

Ba, As, p, Si thì có thể đến 55% Vì vậy để làm vật dẫn thường chỉ dùng đồng điện phân chứa 99,9% Cu; nếu có ôxi thì đồng sẽ bị giòn

- Đồng không có ôxy: Là đồng có độ bền cơ học rất tốt, trong nó không chứa quá 0,05% tạp chất và trong lượng tạp chất ấy thì lượng ôxi không quá 0,02%

- Đồng cứng: Có sức bền cao, độ giãn dài bé, rắn và đàn hồi khi uốn

- Đồng mềm: Được nung nóng xong để nguội, nó ít rắn, sức bền cơ học kém,

độ dãn khi đứt rất lớn, điện dẫn suất cao

- Cả 2 loại đều có hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ như nhau

- Về công dụng thì đồng cứng dùng ở nơi nào cần có sức bền cơ học cao, độ rắn lớn chịu được sự mài mòn còn đồng mềm thì được dùng ở nơi nào cần có độ uốn lớn và sức bền cơ giới không đáng kể

l l



Hình 2: Quan hệ giữa ứng suất cơ khí kéo dây dẫn với độ dãn dài tương đối 1: Dây

sản xuất bằng cách kéo nguộn; 2: Dây đã được ủ

- Các hợp kim của đồng :

- Hợp kim đồng thường gặp là đồng thanh và đồng thau

- Đồng thanh: có từ 3% đến 25% Zn và có thể pha thêm một số tạp chất khác…

- Đồng thau (Latun): Đồng thau 1 một hợp kim đồng với kẽm, trong đó kẽm không vượt quá 46%

- Hợp kim đồng có các tính chất cơ học tốt song đảm bảo các khả năng dẫn điện Do đó được ứng dụng trong việc chế tạo các tiếp điểm, khí cụ điện và phụ kiện lắp đặt

- Nhiệt lượng riêng trung bình ở 25 °C kcal/kg.độ 0,0918

- Hệ số giãn nở dài trung bình ở 20°C 1/độ (grd) 16,42.10-6

Bảng 2: So sánh các tham số của đồng, đồng thanh, đồng thau

Đồng Đồng thanh Đồng thau Điện trở suất ρ[Ωcm] l,75.10-6 1,92 10-6 7 10-6 Nhiệt dẫn suất λ [W/cm.°C] 3,9 0,54 ÷ 0,43 0,83 ÷ 1,17 Nhiệt lượng riêng c [W.s/g.°C] 0,39

có màu bạc, trắng và là một kim loại nhẹ (nếu 2 dây dẫn đồng và nhôm bằng nhau

về độ dài, bằng nhau về điện trở thì mặc dù nhôm có tiết diện lớn hơn 1,68 lần, đường kính lớn hơn 1,3 lần nhưng nó lại nhẹ hơn đồng gần 2 lần); còn các hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung, nhiệt lượng để cho chảy thì lớn hơn đồng (do đó để cho nhôm chuyển sang trạng thái lỏng cần nhiều nhiệt năng hơn so với đồng, tuy rằng điểm nóng chảy của nhôm thấp hơn đồng); điện trở suất của nhôm gấp 1,6 lần đồng; nhôm lại có nhiều trong thiên nhiên, giá thành rẻ hơn đồng (khi thay dây cần chú ý đến việc giá thành của cách điện tỉ lệ với chu vi của tiết diện nên có khi dùng nhóm

sẽ đắt hơn so với đồng) Nhược điểm của nhôm là có độ bền cơ học thấp và khó hàn

so với đồng

Bảng 3: Các hằng số và hóa học chính của nhôm

- Nhiệt lượng riêng trung bình kcal/kg 0,2259

- Nhiệt lượng nóng chảy tiềm tàn riêng kcal/kg 93

- Hệ số dãn nở dài trung bình (20÷100°C) l/°C 23,8.10-6

- Hợp kim của nhôm:

Các tạp chất làm giảm tính dẫn điện của nhôm Nếu trong nhôm có chứa khoảng 0,5% (Ni, Si, Zn, Fe, Pb) thì điện dẫn suất giảm không quá 2% ÷ 3%; nếu trong nhôm chứa Cu, Ag hay Mg thì điện dẫn suất giảm 5% ÷ 10% Điện dẫn của

nhôm còn giảm mạnh hơn nữa khi tạp chất là Ti, Mn Trong nhôm kỹ thuật tạp chất chủ yếu là Fe và Si

Hợp kim Aldrey: có khoảng 0,4% Mg, 0,5% Si, 0,3% Fe

Điện trở suất ρ = 0,0317 Ωmm2/m, độ bền cơ học gần bằng đồng nhưng nhẹ như nhôm nguyên chất nên được dùng làm đường dây tải điện trên không có khoảng cách giữa các cột lớn

Nhôm kỹ thuật A, E: có lượng tạp chất nhỏ hơn 0,5%, được ủ mềm ở nhiệt

độ từ 330°C đến 370°C được dùng làm dây dẫn có điện trở suất nhỏ

Nhôm A- 97: chứa không quá 0,03% tạp chất

Nhôm A- 999: lượng tạp chất nhỏ ≈ 0.001%

Nhôm kỹ thuật: có chứa tạp chất chủ yếu là Fe và Si

1.2 Vật liệu cách điện trong cáp điện

1.2.1.Phân loại vật liệu cách điện

Phân loại theo trạng thái vật lý

- Vật liệu cách điện (VLCĐ) thể khí

- VLCĐ thể lỏng

- VLCĐ thể rắn: có thể phân thành các nhóm cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng Giữa thể lỏng và thể rắn có một thể trung gian (thể mềm nhão) như các loại sơn tẩm

Phân loại theo thành phần hoá học

-VLCĐ hữu cơ: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên như cao su, xenlulo, nhóm nhân tạo như phenol, vinyl…

-VLCĐ vô cơ: các chất khí, chất lỏng không cháy, sứ, gốm, mica, thủy tinh

Phân loại theo tính chịu nhiệt

Khi chọn VLCĐ phải biết VLCĐ có tính chịu nhiệt theo cấp nào Y, A, E

1.2.2.Vật liệu polyme

Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp vật liệu, hiện nay vật liệu cách điện ngày càng đa dạng thuận lợi trong việc chế tạo, sử dụng và vận hành Các vật liệu polyme được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo cáp dẫn điện ở các cấp điện

áp Polyme theo cách mô tả ban đầu một phân tử của nhiều hợp phần cơ bản Ngày nay theo IUPAC (International Union for Pure and Applied Chemistry) - liên hiệp quốc tế về hoá cơ bản và ứng dụng) polyme được định nghĩa một “Một hợp chất gồm các phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một loại hay nhiều loại nguyên tử hay một nhóm nguyên tử (đơn vị cấu tạo monome) liên kết với nhau với

số lượng khá lớn để tạo nên một loạt tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể khi lấy đi hoặc thêm vào một vài đơn vị cấu tạo ”

Bảng 4: Cấp cách điện và chủng loại vật liệu Cấp cách

điên

Nhiệt độ cho

phép (°C) Các vật liệu cách điện chủ yếu trong từng cấp

Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, cao su không được tẩm sơn hay ngâm trong

chất cách điện lỏng

A 105 Gồm các điện môi cấp Y nhưng tẩm sơn hoặc ngâm trong dầu

để giảm tác động hoá già của điện môi

E 120 Các loại nhựa hữu cơ có chất phụ gia chịu nhiệt như: nhựa

hetinac, epoxy, polyeste

Các vật liệu có chứa các thành phần vơ cơ như: amiang, vật liệu thủy tinh có kết cấu với các vật liệu hữu cơ tẩm bằng các vật liệu có tính chịu nhiệt như sợi vải thủy tinh, nhựa epoxy với các

phụ gia

F 150 Các vật liệu mica, sản phẩm từ sợi thủy tinh không lớp đệm

hoặc các lớp đệm bằng vật liệu vơ cơ

H 180 Nhựa silic hữu cơ có tính chịu nhiệt đặc biệt cao

C Trên 180 Các vật liệu vô cơ không chứa thành phần tẩm hay kết dính

như: mica, thuỷ tinh, sứ

Polyme có thể phân loại theo nhiều cách Sau đây là những cách phân loại thường gặp:

Phân loại theo nguồn gốc hình thành

- Polyme thiên nhiên: có thể có nguồn gốc thực vật hoặc động vật như: xenlulo, caosu, protein, enzym

- Polyme tổng hợp: được sản xuất từ những loại monome bằng phản ứng trùng ngưng, trùng hợp như các loại polyolefin, polyvinylclorit, nhựa phenol- fomandehit, polyamit, v.v

Phân loại theo cấu trúc

Theo cấu trúc phân tử người ta phân biệt polyme mạch thẳng, polyme mạch nhánh, polyme mạng lưới và polyme không gian

Phân loại theo tính chịu nhiệt

- Polyme nhiệt dẻo: thường là các polyme mạch thẳng Ở loại vật liệu này, dưới tác dụng của lực ở nhiệt độ nhất định, các phân tử có thể trượt lên nhau, có nghĩa là phân tử cũng đủ năng lượng để thắng lực tương tác giữa các phân tử Nói cách khác, ở nhiệt độ nhất định nào đó vật liệu có thể chảy, trở thành dẻo và dưới nhiệt độ này nó rắn trở lại Polyme nhiệt dẻo loại vật liệu có giá trị thương mại quan trọng nhất hiện nay

- Polyme nhiệt rắn: là những polyme có khối lượng phân tử không cao lắm, có khả năng tạo thành các polyme không gian

- Phân loại theo lĩnh vực ứng dụng: theo cách này polyme được phân thành các loại sau đây: chất dẻo, sợi, cao su, sơn và keo

1.2.3 Hỗn hợp cách điện

Hỗn hợp cách điện (compound) là hỗn hợp của những vật liệu cách điện khác nhau như: nhựa, nhựa đường (bitum), xenlulo, chúng được hoá lỏng bằng gia nhiệt tới nhiệt độ đủ cao, sau đó được đông cứng khi làm lạnh nên thường được gọi

là compound

- Theo công dụng có thể chia compound thành hai loại chính: một loại dành để tẩm và một loại dùng để rót Loại tẩm hay dùng để ngâm, tẩm cuộn dây máy điện Loại rót dùng để rót vào các hộp đầu cáp, vào vỏ máy biến dòng, vỏ các thiết bị điện, lấp đầy những hốc lớn, các khe giữa những chi tiết khác nhau nhằm bảo vệ cách điện khỏi độ ẩm, làm tăng điện áp đánh thủng của cách điện, tăng độ bền cơ học của chúng

- Theo tính chất có thể chia compound thành loại nhiệt cứng và loại nhiệt dẻo Compound nhiệt cứng là loại không bị mềm đi nữa khi đã được đông cứng khác với loại nhiệt dẻo bị mềm đi khi bị nung nóng Loại nhiệt dẻo dùng để rót hoặc tẩm như compound bitum, chất điện môi dạng sáp, polyme nhiệt dẻo

Bảng 5: Ứng dụng vật liệu cách điện trong điện công nghiệp

- Tẩm giấy amiăng để làm cách điện cho những phiến cổ góp

- Màng mỏng làm cách điện cho động cơ

- Những lớp cách điện chịu tác dụng mạnh về cơ và nhiệt

- Dầu cách điện

- Vỏ bọc dây

1.2.4 Nhựa cách điện

- Polyetilen (C2H4)n có độ bền về cơ tốt, chịu được axit, kiềm khi nhiệt độ tăng

độ bền cơ lại giảm, dùng làm chất cách điện cho dây cáp (cáp điện thoại, cáp điện lực)

- Polystirol (C6 H8)n có tính cách điện cao, tính hút ẩm thấp, ở nhiệt độ thấp rất giòn có khuynh hướng tạo ra những vết nứt ở bề mặt, kém bền đối với tác dụng của dung môi, tính chịu nhiệt không cao

Polyvinylclorit (C2H3Cl)n rất bền đối với nước, kiềm, axit loãng, dầu, xăng và rượu Dùng làm chất cách điện cho dây dẫn, vỏ bọc bảo vệ cho cáp, vỏ bình ắcqui

Polytetraíloetilen (C2F4)n có tính chịu nhiệt cao 150°C, chịu được axit, kiềm, không cháy, không hút ẩm, không dính nước kể cả các loại chất lỏng khác, không chịu được tác dụng của vầng quang điện

Bakelit: là loại nhựa nhiệt cứng, có độ bền cơ cao, ít co giãn, có tạo vết khi gặp sự phóng điện Dùng để tẩm cho gỗ, chế tạo các chất dẻo, nhựa ép lớp

Gliptan: Độ bám dính, độ đàn hồi, độ bền hoá già do nhiệt và độ bền chống sự tạo vết cao hơn bakelit Dùng chế tạo sơn dán, sơn tẩm cho các thiết bị điện

Epoxy: là một chất lỏng nhớt, khi thêm vào chất làm đông sẽ đông cứng lại thành một khối cách điện tốt và có độ chống thấm cao, bám dính tốt vào các vật liệu khác như sứ, thủy tinh, kim loạiễ thường dùng để sản xuất sơn dán, sơn tẩm hợp chất làm đầy

Nhựa silic hữu cơ: có tính cách điện rất cao, tính chịu nhiệt rất tốt không thấm nước, có độ bển cơ thấp, độ bám dính kém, ít chịu được dầu và đắt tiền Sử dụng làm sơn tẩm, hợp chất cách điện, chất dẻo, sơn phủ

1.2.5 Nhựa thiên nhiên

Cánh kiến có các đặc tính cách điện như sau: ε = 3,5; ρv = 1015 ÷ 1016 Ω.cm; tgδ = 0,01; Eđt = 20 ÷ 30 kV/mm Ở 50 ÷ 60°C cánh kiến trở nên dễ uốn và ở nhiệt

độ cao hơn thì trở thành dẻo và nóng chảy ra Khi đun nóng chảy kéo dài thì cánh kiến được nung kết, đồng thời trở nên không nóng chảy và không hòa tan; nhiệt độ càng cao thì thòi gian nung kết càng giảm Trong kỹ thuật cách điện, cánh kiến được dung ở dạng sơn dán chế tạo Micanit Khi không có cánh kiến người thay hay bằng nhựa gliptan và các loại nhựa tổng hợp

Bảng 6: Đặc tính của các loại nhựa tổng hợp điển hình

Phân loại nhựa theo

Độ dãn dài tương đối khi kéo đứt,

%

Độ chịu nóng,

°C

Nhiệt dẫn suất, W/°C/c

m

Hệ số dẫn

nở nhiệt theo chiều dài TKI 105,1/°C

Độ thấm nước sau 24 giờ, %

Polytetra- tloetylen 2,3 150-300 250-300 250 3,4 10 0,01 1017 - 1018 1,9-2,2 0,0001-0,0002 20-30

Polyvinyl- clorit 1,4-1,7 300-500 50-150 60-70 0,8 5-8 0,1 1015 - 1016 3-5 0,03-0,08 15-20

Polymetyl- metacrilat 1,2 400-700 2-10 70-90 2 9 0,35 1013 - 1014 3,5-4,5 0,02-0,08 20-35

mandehyt 1,25-1,3 500-550 1-1,15 110-180 2 4-7 0,15 1013 - 1014 5-6,5 0,01-0,1 10-20 Polyeste 1,1-1,45 250-700 5-10 110-150 1,7 8-10 , 0,1-0,6 1013 - 1016 34,5 0,002-0,02 15-20 Silic hữu cơ 1,6-1,75 200-500 - 180-220 0,8 10,5 0,1 1014 - 10157 3-5 0,01-0,03 15-20

1.2.5.2.Nhựa thông (colofan)

Colofan là một loại nhựa giòn có màu vàng hoặc nâu được sản xuất từ nhựa thông bằng cách chưng cất từ dầu thông

Hình 3: Quan hệ ε và tg δ theo nhiệt độ khí f = 50 Hz của Colofan

Colofan có tính chất cách điện như sau: ρ = 1014÷1015 Ω.cm; Eđt = 15 kV/mm

và có hằng số điện môi ε và tg δ phụ thuộc vào nhiệt độ như hình vẽ 1.3, đặc trưng cho điện môi cực tính Nhiệt độ hóa dẻo của các loại colofan khác nhau vào khoảng

50 ÷ 70°C: Colofan ôxi hóa từ từ trong không khí, khi đó nhiệt độ hóa dẻo của nó tăng nhưng độ hòa tan lại giảm đi

Colofan hòa tan trong dầu mỏ được dùng vào việc ngâm tẩm cáp, ngoài ra nó cũng được dùng để sản xuất ra rezinat là chất làm khô cho sơn dầu

1.2.5.3.Nhựa côpan

Nhựa côpan là loại nhựa khó nóng chảy, có đặc điểm là bóng, rất cứng và tương đối khó hòa tan Người ta dùng nhựa côpan làm chất phụ gia cho sơn dầu nhằm tăng độ màng cứng

Hổ phách thuộc về loại copan được khai thác trong tự nhiên Hổ phách có ρ=

1017 ÷ 1019 Ω.cm, ε = 2,8; tg δ = 0,001 Hổ phách dùng để làm đầu vào của các thiết bị cần có điện trở cao

1.2.5.4 Nhựa đường

Nhựa đường là hỗn hợp phức tạp của các hydrocacbon có chứa thêm ôxy và lưu huỳnh đó là những chất không định hình với những tính chất đặc trưng phức hợp Chúng có màu đen hoặc màu sẫm Nhựa đường hòa tan trong hydrocacbon, riêng các hydrocacbon thơm (như benzen, toluen ) thì càng dễ tan; nhưng không tan trong rượu và nước Chúng ít hút nước và thực tế là nước không thấm qua lớp màng nhựa mỏng Ở nhiệt độ thấp, nhựa đường thường giòn và sinh ra những vết nứt có dạng vân đặc biệt, chúng có tính nhiệt dẻo và tỷ trọng gần 1 g/cm3

Dựa theo nguồn gốc người ta phân nhựa đường thành:

Nhựa đường nhân tạo (gốc là dầu mỏ) là sản phẩm nặng khi chưng cất dầu mỏ Nhựa đường thiên nhiên (khoáng sản) thường gọi là nhựa đường atfan Những lớp quặng atfan gắn liền với những lớp khoáng dầu mỏ vì trong điều kiện tự nhiên atfan cũng được tạo thành từ dầu mỏ

Trong kỹ thuật cách điện người ta sử dụng nhựa đường có nhãn hiệu БH-III, БH-IV và БH-V được điều chế từ dầu mỏ và còn sử dụng loại đặc biệt có tính chịu nóng ký hiệu B và  Nhiệt độ hóa dẻo của các loại nhựa đường nêu trên cho trong bảng 7:

Bảng 7: Nhiệt độ hoá dẻo của nhựa đường

Ký hiệu loại nhựa đường БH-III БH-IV БH-V B 

Nhiệt độ hóa dẻo của atfan lên tới 220°C Thông thường nhựa đường chịu được nhiệt độ càng cao thì tính cách điện càng tốt Khi nhiệt độ tăng lên thì tính cách điện bị giảm dần đi (hình vẽ 1.4) Có thể nâng cao nhiệt độ hóa dẻo của nhựa đường bằng phương pháp thổi luyện, tức là cho luồng không khí mạnh đi qua nhựa đường nóng chảy

Nhựa đường là những chất cực tính yếu với ε = 2,5 ÷ 3,0, tg δ ~ 0,01; Eđt

= 10 ÷ 25 kv/mm; ρv = 1015 ÷ 1016 Ω.cm và các đặc tính này ít phụ thuộc vào

độ ẩm Người ta dùng nhựa đường để sản xuất sơn, hợp chất cách điện, đổ vào các đầu cáp điện áp cao

25

0

0,01 0,02 0,03 0,04

1.3 Giới thiệu chung vể cáp ngầm điện lực

1.3.1 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 polyme để ngăn chặn các tác dụng bên ngoài đối với cách điện như chênh lệch 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

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

vệ lõi và cách điện đối vói 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 thép hoặc băng thép, một lớp sợi đay tẩm bitum 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 polyme thường sử dụng nhựa PVC

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 cáu phải có độ chịu uốn và độ bền cơ giới cần thiết Vật liệu cách điện dùng tróng 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 trung áp thường lắp đặt ngầm nên có các yêu cầu rất cao về độ tin cậy làm việc đối với cách điện của các đường trung 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 trung 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 thực hiện trong nhà máy chế tạo cáp

1.3.2 Phân loại cáp ngầm điện lực

1.3.2.1 Theo kết cấu cách điện

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

a) Loại cáp tẩm dầu

Loại cáp này còn được gọi là cáp đặc, mỗi lõi dẫn được cách điện bằng giấy tẩm dầu (chứa dầu có độ nhớt cao) Dầu tẩm là loại chất lỏng cách điện có nguồn gốc từ dầu mỏ pha nhựa thông để tăng độ nhớt và ngăn chặn quá 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 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 chất tẩm không bị rỉ ra ngoài do đó không tạo nên các khoảng trống bên trong Cách tẩm bằng loại hỗn hợp không chảy có thể lắp đặt với chênh lệch độ cao giữa hai đầu cáp đến 300 m mà không tạo nên nguy hiểm chảy chất tẩm xuống đầu phía thấp và không xuất hiện khoảng trống cách điện không được tẩm dầu 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 dãn nở nhiệt của cách điện khác với vỏ chì, khi phụ tải tăng, cáp bị phát nóng mạnh, vỏ chì bị căng phổng 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 35 kV, 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 chảy dầu nên loại cáp XLPE được sử dụng ngày càng nhiều

b) Loại cáp đổ dầu

Cáp đổ dầu dùng ở điện áp cao (110 kV 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 với loại cáp dưới 35 kV do đó bề mặt của lõi cáp bằng biện pháp này trở nên nhẵn hơn Ngoài ra lõi cáp 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 0,2MPa), 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 thể 10÷15 kV/mm nhưng 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 khí nén truyền vào cách điện của lõi nên các bọt khí cũng có

áp suất cao và chỉ bị ion hoá khi cường độ trường lớn Thường khí 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 nâng cách điện cao hơn nhiều so với không khí cũng được sử dụng Độ bền điện của khí SF6 ở điều kiện binh 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 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 cho lưu thông chất lỏng 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 4 GVA

e) 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 pha 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 3 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 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 5.102 Ωm)

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

- Polyme nhiệt dẻo (polyvinylclorit PVC, polyetylen PE, polypropylen pp, polyamit PA…

- Elastomer (cao su tự nhiên NR, cao su butyl IIR, cao su etylen - propylen EPR, cao su slicon SiK)

- Polyme nhiệt cứng (nhựa epoxy EP, nhựa polyuretan PUR)

f) 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 cáp ) nhiều hơn

Loại cáp trung áp cách điện polyme 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 đun 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

1.3.2.2.Theo vật liệu chế tạo lõi cáp

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

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

Cáp ruột nhôm có tính dẫn điện kém nên phải sử dụng cáp có tiết diện lớn hơn với cáp đồng, đồng thời cáp ruột nhôm cũng không có tính dẫn nhiệt tốt Nhôm có khối lượng riêng chỉ bằng một phân ba khối lượng riêng 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 Xong xét về các yếu tố tổng hợp, có thể thấy rằng đồng vẫn chiếm ưu thế hơn nhôm để làm 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

- 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

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

- Cách điện của cáp ở thể rắn nên có thể lắp đặt ở mọi dạng địa hình: địa hình dốc hay tại những nơi có độ cao thay đổi

- Hệ thống cáp không gây ảnh hưởng môi trường do cách điện rắn, không

có nguy cơ rò rỉ dầu như các loại cáp dầu

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

Vì vậy nghiên cứu cấu tạo, kỹ thuật lắp đặt và vận hành cáp trong lưới điện trung áp hiện nay chính là nghiên cứu cho cáp điện lực dùng cách điện polyme ruột đồng

1.4 Cấu tạo cáp cách điện polyme

1.4.1 Cấu tạo chung

Ruột dẫn của các lớp bọc thường gồm 2 loại nén tròn hoặc xoắn tròn và được làm bằng vật liệu đồng hoặc nhôm

Tất cả các loại cáp bọc có cấp điện áp từ 1,8/(3,6) kV đều được chế tạo lớp màng chắn ruột dẫn bằng vật liệu phi kim loại và gồm 2 dạng: lớp bán dẫn dạng dải băng hoặc lớp hỗn hợp chất bán dẫn định hình bằng phương pháp đùn hay có thể là sự kết hợp cả 2 loại trên

Cách điện là lớp polyetylen (XLPE) được định hình bằng phương pháp đùn

Hình 6: Cấu tạo cáp điện ba pha

Đối với các loại cáp bọc có cấp cách điện từ 1,8/(3,6)kV trở lên, lớp màn chắn vỏ cách điện bao gồm phần hỗn hợp bán dẫn phi kim loại kết hợp với phần kim loại

Lớp bán dẫn cũng có mục đích tương tự lớp màn dùng để cân bằng điện trường trong cáp, loại bỏ được các điểm có điện thế cao trong cáp, do vậy tăng tuổi thọ và độ tin cậy của cáp

Hình 7: Phân bổ điện thế khi có lớp bán dẫn

Hình 7 nêu rõ sự phân bố điện thế khi có lớp bán dẫn và trong trường hợp không có lớp bán dẫn Lớp màn thường gồm băng lá đồng mỏng quấn quanh cách điện và bán dẫn tạo nên lớp màn liên tục dọc theo chiều dài cáp Lớp màn này rất cần thiết đối với cáp trung áp và cao áp nhằm mục đích:

- Ngăn ngừa phóng điện vầng quang

- Giới hạn trường điện môi bên trong cáp

- Giảm điện áp cảm ứng

- Phân bố điện áp đều

Phần phi kim loại phải được áp sát trực tiếp lên lớp cách điện dưới dạng dải băng hoặc lớp hỗn hợp chất bán dẫn định hình bằng phương pháp đùn Lớp màn chắn định hình bằng phương pháp đùn thường là loại dễ bóc tách Tuy nhiên lớp này có thể được chế tạo dính chặt với lớp cách điện (không bóc tách được) theo yêu cầu

Phần kim loại được áp sát trên từng lõi cáp riêng biệt đối với các loại cáp

có cấp cách điện từ 1.8/(3.6) kV trở lên và bao một lớp băng bằng đồng Ngoài

ra, tùy theo yêu cầu, lớp băng đồng có thể được thay thế bằng lớp hợp kim hoặc nhôm dập gợn sóng

Lớp bọc bên trong (ứng dụng cho loại cáp có lớp giáp bảo vệ) Đối với loại

có lớp cáp bọc bảo vệ, nếu không sử dụng lớp màn chắn thì có thể thay thế bằng một lớp bọc vật liệu PVC Trong trường hợp lớp màn chắn kim loại và lớp giáp

bảo vệ được làm bằng vật liệu kim loại khác nhau, lớp bọc bằng vật liệu PVC có tác dụng ngăn cách giữa các vật liệu kim loại này

Lớp giáp bảo vệ cáp, tùy theo yêu cầu, có thể là lớp giáp bằng dây tròn bao bọc xung quanh, dây dẫn hoặc là lớp băng quấn kép và được chế tạo bằng vật liệu thép tráng kẽm hoặc nhôm Riêng đối với loại cáp 1 lõi, lớp giáp bảo vệ thường được làm bằng vật liệu nhôm do đặc tính không bị từ hoá của lớp giáp bọc khi sử dụng cáp một lõi trong hệ thống điện xoay chiều

Tất cả các loại cáp thường được bọc bên ngoài bằng một lớp vỏ bọc PVC màu đen và thực hiện bằng phương pháp đùn Ngoài ra, vỏ bọc bên ngoài còn có thể được làm bằng các loại vật liệu và màu sắc khác như: polyetylen, nhựa PVC chống cháy

Hình 8: Cáp điện một lõi 0,6/1(1,2)kV cách điện XLPE

Hình 9: Cáp điện ba lõi 0,6/1(1,2)kV cách điện XLPE

Hình 10: Cáp điện một lõi 3,6/24 kV cách điện XLPE

Hình 11: Cáp điện ba lõi 3,6/24 kV cách điện XLPE

Hình 12: Cáp điện hạ thế vặn xoắn trên không ba lõi

Hình 13: Cáp điện hạ trung thế vặn xoắn trên không ba lõi cách điện XLPE

Hình.14: Một số loại đầu cáp trong nhà và ngoài trời