Ứng dụng công nghệ đo phóng điện cục bộ để đánh giá hiện trạng cách điện cáp ngầm trung thế lưới điện TP HCM

I- Tên đề tài: Ứng dụng công nghệ đo phóng điện cục bộ để đánh giá hiện trạng cách điện cáp ngầm trung thế lưới điện TP.HCM II- Nhiệm vụ và nội dung: Nhiệm vụ 1: Thu thập thông tin tổng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-NGUYỄN HỮU PHƯỚC

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐO PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ ĐỂ ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG CÁCH ĐIỆN CÁP NGẦM TRUNG THẾ LƯỚI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-NGUYỄN HỮU PHƯỚC

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐO PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ ĐỂ ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG CÁCH ĐIỆN CÁP NGẦM TRUNG THẾ LƯỚI

.CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : NGUYỄN HỮU PHƯỚC Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 22/8/1978 Nơi sinh: An Giang.Chuyên ngành : Kỹ thuật điện MSHV:

1441830035

I- Tên đề tài: Ứng dụng công nghệ đo phóng điện cục bộ để đánh giá hiện

trạng cách điện cáp ngầm trung thế lưới điện TP.HCM

II- Nhiệm vụ và nội dung:

Nhiệm vụ 1: Thu thập thông tin tổng quan về cáp ngầm và hiện trạng vận hành, cung cấp điện của lưới cáp ngầm trung thế thuộc Tổng công ty Điện lực TP.HCM Nhiệm vụ 2: Tìm hiểu lý thuyết về phương pháp xác định hiện tượng phóng điệncục bộ (partial discharge)

Nhiệm vụ 3: Khảo sát thực tế cùng đơn vị đo là Công ty Thí nghiệm Điện lựcTP.HCM, tìm hiểu quy trình đo phóng điện cục bộ; thu thập số liệu thực tế về việcchẩn đoán hiện trạng của cáp ngầm trung thế bằng công nghệ đo phóng điện cục bộđối với một số tuyến cáp ngầm trung thế cụ thể do Tổng công ty Điện lực TP.HCMhiện đang quản lý vận hành

Nhiệm vụ 4: Đánh giá tổng quan, đưa ra một số nhận xét, kiến nghị

III- Ngày giao nhiệm vụ: 20/08/2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: tháng 2/2016

V- Cán bộ hướng dẫn: TS Phạm Đình Anh Khôi

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Ứng dụng công nghệ đo phóng điện cục bộ đểđánh giá hiện trạng cách điện cáp ngầm trung thế lưới điện TP.HCM" là công trìnhnghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu trong đề tài này được thu thập và sử dụng một cách trung thực Kếtquả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này không sao chép của bất cứ luậnvăn nào và cũng chưa được trình bày hay công bố ở bất cứ công trình nghiên cứunào trước đây

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Hữu Phước

LỜI CÁM ƠN

Sau thời gian làm việc, tổ chức thực hiện nghiên cứu tại Tổng Công ty Điệnlực TP.HCM, được sự quan tâm và giúp đỡ quý báu của các đồng nghiệp hiện đangcông tác tại Ban Kỹ thuật - Tổng công ty Điện lực TP.HCM và tại Công ty Thínghiệm Điện lực TP.HCM, tôi đã nghiên cứu hoàn thành đề tài: “Ứng dụng côngnghệ đo phóng điện cục bộ để đánh giá hiện trạng cách điện cáp ngầm trung thếlưới điện TP.HCM" và áp dụng vào thực tiễn vận hành

Hoàn thành đề tài này, cho phép tôi được bày tỏ lời cám ơn TS Phạm ĐìnhAnh Khôi đã nhiệt tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn; cảm ơn lãnh đạo TổngCông ty Điện Lực TPHCM đã luôn hỗ trợ và tạo điều kiện thực hiện đề tài

Nguyễn Hữu Phước

TÓM TẮT

Hiện nay, việc ứng dụng các công nghệ thử nghiệm chẩn đoán trong công tácphòng ngừa sự cố trong ngành Điện lực đang dần trở thành xu thế mới trên thế giới,cho thấy hiệu quả và ưu điểm vượt trội so với các công tác thử nghiệm thôngthường Nếu như các phương pháp thử nghiệm thông thường chỉ cho phép kết luậnthiết bị đủ hoặc không đủ điều kiện đóng điện vận hành thì các phương pháp thửnghiệm chẩn đoán sẽ cho phép đánh giá thiết bị một cách chi tiết hơn, tổng quanhơn về tình trạng vận hành, giúp phát hiện và dò tìm điểm yếu để từ đó đề ra kếhoạch sửa chữa, bảo trì, bảo dưỡng hợp lý góp phần ngăn ngừa sự cố một cách hiệuquả

Tổng Công ty Điện lực TP HCM đang trong giai đoạn phát triển toàn diệnnhằm phấn đấu vươn lên ngang tầm khu vực với hàng loạt các chương trình hànhđộng trọng điểm, đặc biệt là công tác giảm sự cố, giảm mất điện, nâng cao độ tincậy lưới điện Vì vậy, việc ứng dụng các công nghệ thử nghiệm chẩn đoán sự cố làhết sức cần thiết

Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ giới hạn trong việc giới thiệu về tổng quan

về công nghệ đo phóng điện cục bộ theo tiêu chuẩn IEC 60270, ứng dụng công nghệnày để đánh giá hiện trạng cách điện của cáp ngầm trung thế nhằm ngăn ngừa sự cố.Tiêu chuẩn IEC 60270 là bộ tiêu chuẩn được áp dụng cho các phép đo phóngđiện cục bộ xảy ra trong các thiết bị điện khi thử nghiệm ở điện áp xoay chiều hoặcđiện áp một chiều Bộ tiêu chuẩn cung cấp các định nghĩa được sử dụng, mô

tả phương pháp thử nghiệm và mạch đo được sử dụng, xác định các phương pháphiệu chuẩn và các yêu cầu của các công cụ được sử dụng để hiệu chuẩn

Mục tiêu của đề tài là giới thiệu ứng dụng công nghệ mới – Công nghệ đophóng điện cục bộ đối với cáp ngầm trung thế để chẩn đoán, ngăn ngừa sự cố nhằmnâng cao độ tin cậy cung cấp điện, góp phần hiện đại hóa đất nước

ABSTRACT

Currently, the application of diagnostic testing technology in the prevention ofincidents in the electricity industry is gradually becoming a new trend in the world,shows that the efficiency and advantages in comparison with the work test ordinaryexperience If such a conventional test method only allows conclusions device ornot qualified enough energized operation, the diagnostic test methods will allow theevaluation device a more detailed, more general the operational status, helpingdetect and detect weaknesses so that devised repair, maintenance, maintenance ofcontributing to preventing incidents effectively

Ho Chi Minh City Power Corporation is a comprehensive development phase

in order to strive for the regional level with a series of key action programs,especially the reduction of incidents, reducing power loss and improving gridreliability Therefore, the application of testing technology to diagnose the problem

is crucial

The scope of the research study is limited to the introduction of technologicaloverview of partial discharge measurement according to IEC 60270 standard, theapplication of this technology to assess the status of the cable insulation mediumvoltage underground to prevent prevent incidents

IEC 60270 Standard is applicable to the measurement of partial dischargeswhich occur in electrical apparatus, components or systems when tested withalternating voltages or with direct voltage This standard defines the terms used,describes test and measuring circuits which may be used, specifies methods forcalibration and requirements of instruments used for calibration

The objective of the project is to introduce new technology applications Technology partial discharge measurements for medium voltage underground cables

-to diagnose, prevent incidents in order -to improve power supply reliability,contributing to modernization country

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN

ii TÓM TẮT

iii ABSTRACT iv MỤC LỤC .v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .x Hình 2.7 Cáp cách điện khí .Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 1 1

GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 1

2.1 Mục tiêu của đề tài 2

2.2 Nội dung nghiên cứu .2

2.3 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu .3

CHƯƠNG 2 4

CÁP ĐIỆN LỰC VÀ PHỤ KIỆN, CƠ CHẾ GÂY GIÀ HÓA CÁCH ĐIỆN CỦA CÁP NGẦM .4

2.1 Quá trình phát triển điện áp làm việc của cáp điện lực .4

2.2 Đặc tính ưu việt của hệ thống truyền tải điện ngầm 4

2.3 Phân loại và cấu trúc của cáp 6

2.3.1 Các loại cáp 6

2.3.2 Cấu trúc và đặc tính của cáp: 6

2.4 Phụ kiện cáp điện lực 11

2.4.1 Khái quát chung 11

2.4.2 Các loại hộp nối 12

2.4.2.1 Hộp nối thẳng 12

2.4.2.2 Hộp đầu cáp 152.5 Các cơ chế gây già hóa đối với cách điện của cáp ngầm 18

2.5.1 Phóng điện cục bộ 20

2.5.2 Cây điện 21

2.5.3 Cây nước 22

2.6 Một vài nguyên nhân gây hư hỏng cáp ngầm 23

CHƯƠNG 3 25

TỔNG QUAN VỀ CÁP NGẦM TRUNG THẾ TẠI TP.HCM 25

VÀ TÌNH HÌNH CUNG CẤP ĐIỆN 25

3.1 Hiện trạng sử dụng cáp ngầm trung thế tại TP.HCM 25

3.2 Tổng số lượng cáp ngầm trung thế hiện đang vận hành 27

3.3 Thống kê tình hình sự cố trong 03 năm gần đây 28

3.4 Sự cố cáp ngầm điển hình: 33

CHƯƠNG 4 37

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THỬ NGHIỆM .37

ĐO PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ .37

4.1 Giới thiệu tổng quan 37

4.2 Khái niệm về phóng điện cục bộ 37

4.3 Ảnh hưởng của phóng điện cục bộ trong hệ thống cách điện 41

4.4 Phương pháp xác định phóng điện cục bộ: 41

4.4.1 Thử nghiệm đo PD on-line: 45

4.4.2 Thử nghiệm đo PD off-line: 47

4.4.2.1 Các nguồn áp thay thế được sử dụng cho phương pháp đo PD off-line 49

4.4.2.2 Một số ví dụ tham khảo về kết quả đo PD off-line: 51

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG THỰC TẾ HIỆN NAY CỦA CÔNG NGHỆ ĐO PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ ĐỂ ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VẬN HÀNH, CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ CÁP NGẦM TRUNG THẾ TRÊN LƯỚI ĐIỆN TP.HCM 55

5.1 Phương pháp đo và thiết bị đo thử nghiệm phóng điện cục bộ 55

5.1.1 Phương pháp đo PD off-line 55

5.1.2 Thiết bị thử nghiệm: 56

vii CHƯƠNG 6 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ ĐỐI VỚI VIỆC ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ CÁP NGẦM TRUNG THẾ ĐỂ

CHẨN ĐOÁN, NGĂN NGỪA SỰ CỐ TRONG THỰC TẾ 60

6.1 Hiệu quả của đề tài về mặt kỹ thuật: 60

6.2 Hiệu quả của đề tài về mặt kinh tế, xã hội: 61

6.3 Những khó khăn gặp phải khi thử nghiệm PD cáp ngầm trong thực tế: 61

6.4 Hướng phát triển của đề tài: .62

6.5 Kiến nghị: .62

6.5.1 Kiến nghị đối với đơn vị quản lý vận hành cáp ngầm trung thế (các Công ty Điện lực): 62

6.5.2 Kiến nghị đối với đơn vị thử nghiệm PD cáp ngầm: 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PD Partial Discharge

PDIV Partial Discharge Inception Voltage

PDEV Partial Discharge Extinction Voltage

DGA dissolved gas analysis

VLF very low-frequency voltage

DAC damped alternating voltage

SCADA Supervisor Control and Data Acquistion

RMU ring main unit

LBS load break switch

HF high frequency

VHF very high frequency

UHF ultra high frequency

SAIFI System Average Interruption Frequency Index

SAIDI System Average Interruption Duration Index

FTA failure tree analysis

EVNHCMC Ho Chi Minh City Power Corporation (Tổng công ty Điện lựcTP.HCM)

VTTB Vật Tư Thiết Bị

QLVH Quản Lý Vận Hành

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Cơ chế gây già hóa cách điện của cáp ngầm 19Bảng 3.1: Chỉ số độ tin cậy cung cấp điện trong 03 năm gần đây 29Bảng 4.1: Bảng thống kê các công nghệ đo PD đang được triển khai tại EVNHCMC 46Bảng 4.2: Khuyến cáo về kết quả đo của hãng sản xuất thiết bị thử nghiệm 51Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật chính của các thiết bị đo PD đang sử dụng 56Bảng 5.2: Bảng thông số tiêu chuẩn so sánh kết quả thử nghiệm PD trên cáp ngầmtrung thế hiện đang áp dụng tại Tổng công ty Điện lực TP.HCM 58

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Quá trình phát triển điện áp làm việc của cáp điện lực trên thế giới 5

Hình 2.2: Sơ đồ phân loại cáp theo cách điện 6

Hình 2.3 Cáp đặc 7

Hình 2.4: Cáp dầu 8

Hình 2.5: Cáp dầu dạng ống 9

Hình 2.6: Cáp XLPE 10

Hình 2.7: Cáp cách điện khí 11

Hình 2.8: Hộp nối thường cho cáp dầu đơn lõi (154kV đến 500kV) 13

Hình 2.9: Hộp nối thường cho cáp XLPE đơn lõi (154 đến 275kV) 13

Hình 2.10 Hộp nối cách ly vỏ kim loại 14

Hình 2.11: Minh họa cấu trúc điển hình của một hộp nối chặn dầu 15

Hình 2.12: Hộp đầu cáp kín cách điện không khí 16

Hình 2.13: Hộp đầu cáp kín cách điện dầu cho cáp XLPE 17

Hình 2.14 Hộp đầu cáp kín cách điện bằng khí SF6 18

Hình 2.15: Cây điện trong vật liệu cách điện cáp ngầm 21

Hình 2.16: Mô hình cây điện và cây nước dưới kính hiển vi 22

Hình 2.17 Mô hình cây nước trong cáp XLPE 22

Hình 2.18: Hình ảnh một vài sự cố tại vị trí hộp nối và đầu cáp 24

Hình 3.1: Sơ đồ cấu tạo cáp XLPE (3 lõi) 28

Hình 3.2: Sơ đồ phân tích cây sự cố (FTA) 32

Hình 3.3: Tủ RMU hiệu SIEMENS bị sự cố 34

Hình 3.4: Ngăn đầu cáp bị phóng điện 35

Hình 3.5: Đầu cáp bị phóng điện pha giữa 36

Hình 4.1: Mô hình mô phỏng mạch tương đương và dạng sóng của phóng điện cục bộ theo tài liệu tham khảo [3] 39

Hình 4.2: Các dạng phóng điện cục bộ 40

Hình 4.3: Những hình ảnh về phóng điện cục bộ trong vật liệu cách điện 41

Hình 4.4: Mạch đo phóng điện cục bộ bằng phương pháp truyền thống 42

Hình 4.5: Các phương pháp đo phóng điện cục bộ phi truyền thống 44

Hình 4.6: Hình ảnh đo PD on-line tại các tủ trung thế 45

Hình 4.7: Sơ đồ thiết lập điển hình một mạch đo PD off-line 47

Hình 4.8: Hình ảnh xác định các thông số hiện trạng ban đầu của cáp bởi phương pháp TDR 48

Hình 4.9: Dạng sóng điện áp có biên độ giảm dần (DAC) 50

Hình 5.1: a) Mô hình xe chuyên dụng đo PD và b) Xác định vị trí PD cáp ngầm trung thế bằng phương pháp đo điện sử dụng điện áp DAC, 50Hz 56

Hình 5.2: Thiết bị đo Viola TD 1 của hãng BAUR (Sử dụng nguồn áp VLF) 57

Hình 5.3: Thiết bị OWTS M 28 của hãng SebaKMT (sử dụng nguồn áp DAC) 57

Hình 5.4: Thông số kỹ thuật của thiết bị OWTS M 28 của hãng SebaKMT 58

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề

Tổng Công ty Điện lực TP HCM đang trong giai đoạn phát triển toàn diện vớihàng loạt các chương trình hành động trọng điểm như chương trình an ninh nănglượng, chương trình ngầm hóa lưới điện, chương trình nâng cao độ tin cậy, đảm bảo

an toàn mỹ quan hệ thống điện,…Để triển khai thực hiện tốt các chương trình trên,các vấn đề quản lý và kiểm soát chất lượng, tình trạng vật tư thiết bị (VTTB) đangvận hành đóng vai trò hết sức quan trọng Công tác này liên quan trực tiếp tới nănglực của bộ phận thử nghiệm Hiện nay, ngoài các công tác thử nghiệm thông thườngnhư thử nghiệm nghiệm thu, thử nghiệm định kỳ, thử nghiệm sau sửa chữa, bảo trì,bảo dưỡng…thì các công nghệ thử nghiệm chẩn đoán cũng đang dần được áp dụngrộng rãi và cho thấy một số hiệu quả nhất định

Thử nghiệm chẩn đoán là các thử nghiệm không phá hủy có thể tiến hành trựctiếp hoặc gián tiếp trên các thiết bị đang mang điện (online) hoặc không mang điện

(offline) và mang tính chất dự báo Nếu như các phương pháp thử nghiệm thông

thường chỉ cho phép kết luận thiết bị đủ hoặc không đủ điều kiện đóng điện vậnhành, thì các phương pháp thử nghiệm chẩn đoán sẽ cho phép đánh giá thiết bị mộtcách chi tiết hơn, tổng quan hơn về tình trạng vận hành, mức độ già hóa của cáchđiện, giúp phát hiện và dò tìm điểm yếu trên thiết bị để từ đó đề ra các phương thứcvận hành, kế hoạch sửa chữa, bảo trì, bảo dưỡng hợp lý góp phần ngăn ngừa sự cốmột cách hiệu quả

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Với việc đẩy mạnh chương trình ngầm hóa lưới điện, khối lượng cáp ngầm

do Tổng Công ty Điện lực TP HCM quản lý không ngừng tăng lên Vì vậy, việcquản lý, kiểm soát chất lượng cáp ngầm đang vận hành càng trở nên phức tạp Mặt

khác, khi tiến hành công tác nâng cấp điện áp, một số đoạn cáp ngầm lâu nămchuyển cấp điện áp vận hành từ 15kV lên 22kV cũng tiềm ẩn nguy cơ gây sự cố.Các hạng mục thử nghiệm cáp như kiểm tra ngoại quan, đo cách điện vỏ cáp làkhông đủ để đánh giá tình trạng vận hành, thậm chí còn có thể gây ảnh hưởng xấunhư trong trường hợp thử nghiệm điện áp một chiều đối với các đoạn cáp đã vậnhành lâu năm

Để đánh giá tình trạng cách điện của cáp, thử nghiệm đo phóng điện cục bộ(Partial Discharge – PD) là cần thiết nhằm mục đích đảm bảo thiết bị điện hoạtđộng lâu dài, an toàn và tin cậy trong hệ thống điện Vì vậy, đối với cáp ngầm trungthế, hiện nay Tổng công ty Điện lực TP.HCM (EVNHCMC) đang triển khai đo PD

để đánh giá hiện trạng vận hành của cáp

2.1 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu được tiến hành trên đối tượng là cáp ngầm trung thế thuộc lướiđiện do Tổng công ty Điện lực TP.HCM hiện đang quản lý vận hành (QLVH) trongkhoảng thời gian từ năm 2013 đến nay

Mục tiêu của đề tài là giới thiệu tổng quan về công nghệ đo phóng điện cục bộ,ứng dụng công nghệ đo phóng điện cục bộ đối với cáp ngầm trung thế để chẩnđoán, đánh giá được hiện trạng vận hành thực tế của cáp nhằm đề ra các phươngthức vận hành, kế hoạch sửa chữa, bảo trì hợp lý, từ đó góp phần ngăn ngừa sự cốmột cách hiệu quả

2.2 Nội dung nghiên cứu

 Tìm hiểu tổng quan về cáp ngầm và hiện trạng vận hành, cung cấp điện của

lưới cáp ngầm trung thế thuộc Tổng công ty Điện lực TP.HCM (Số lượng cáp ngầm; tiết diện dây hiện đang sử dụng; điện áp vận hành, hiện trạng vận hành, tình hình sự cố trong các năm gần đây).

 Tìm hiểu tổng quan về thử nghiệm chẩn đoán sự cố, tập trung vào công nghệ

đo phóng điện cục bộ

2.3 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu

 Thu thập thông tin tổng quan về cáp ngầm và hiện trạng vận hành, cung cấp điện của lưới cáp ngầm trung thế thuộc Tổng công ty Điện lực TP.HCM

 Tìm hiểu lý thuyết về phương pháp xác định hiện tượng phóng điện cục bộ:

 Phương pháp truyền thống theo tiêu chuẩn IEC 60270, hay phương pháp

đo điện cho phép đo PD một cách trực tiếp;

 Phương pháp phi truyền thống xác định sự xuất hiện của PD một cáchgián tiếp thông qua các tín hiệu phát sinh từ hiện tượng phóng điện cục

bộ như âm thanh (acoustic), ánh sáng (optic), phản ứng hoá học(chemical), điện từ trường (HF/VHF/UHF)

 Khảo sát thực tế cùng đơn vị đo là Công ty Thí nghiệm Điện lực TP.HCM, thu thập số liệu thực tế về việc chẩn đoán hiện trạng của cáp ngầm trung thếbằng công nghệ đo phóng điện cục bộ đối với một số tuyến cáp ngầm trungthế cụ thể do Tổng công ty Điện lực TP.HCM hiện đang quản lý vận hành Từ

đó đưa ra các nhận xét, đánh giá và kiến nghị

CHƯƠNG 2 CÁP ĐIỆN LỰC VÀ PHỤ KIỆN, CƠ CHẾ GÂY GIÀ HÓA CÁCH ĐIỆN CỦA

CÁP NGẦM

(Nội dung chương này tham khảo tài liệu [1] - Tài liệu bồi huấn của JapanInternational Cooperation Agency - JICA tại Hà Nội cho cán bộ kỹ thuật của Tổng

công ty Điện lực TP.HCM về cáp ngầm)

2.1 Quá trình phát triển điện áp làm việc của cáp điện lực

Quá trình phát triển điện áp làm việc của cáp trên thế giới được thể hiện trongHình 2.1

Các chủ đề chính hiện nay là các biện pháp tăng khả năng tải, cải thiện giấycách điện hoặc dầu để giảm thiểu tổn hao điện môi và dòng điện nạp, phát triển loạicách điện mới hoặc hệ thống làm mát cưỡng bức hiệu quả Đồng thời cũng cầnphải giảm số lao động và cơ khí hóa nhằm giảm chi phí và việc cung cấp các dịch

vụ an toàn, an ninh

Kết quả của các nghiên cứu được tiến hành liên tục nên đường dây truyền tảiđiện một chiều đã được đưa vào sử dụng, với chiều dài và công suất truyền tải lớn,đồng thời một số loại cáp mới cũng đang được sử dụng, ví dụ như cáp ngầm cáchđiện bằng khí, có các miếng đệm bằng nhựa epoxy đỡ lõi dẫn, cách điện bằng khí

áp suất cao (ví dụ SF6) và loại cáp tự làm mát, sử dụng khí cách điện hóa lỏng cũngđang được nghiên cứu, phát triển Ngoài ra, loại cáp siêu dẫn, có điện trở gần bằngkhông tại nhiệt độ cực thấp cũng đang được nghiên cứu, phát triển như là một giảipháp tối ưu

2.2 Đặc tính ưu việt của hệ thống truyền tải điện ngầm

Cáp ngầm được ưu tiên sử dụng vì một số lý do sau:

(1) Giữ gìn cảnh quan của thành phố

(2) Cung cấp điện cho khu vực có nhu cầu mật độ cao

(3) Trong trường hợp không thể xây dựng đường dây trên không do các quyđịnh về an toàn chặt chẽ thì việc xây dựng đường dây truyền tải điện ngầm làphương án tối ưu

Tuy nhiên, do chi phí xây dựng tuyến cáp ngầm cao và việc sửa chữa khi sự cốcũng phức tạp hơn so với đường dây trên không, nên hệ thống này chỉ được sử dụngchủ yếu ở các thành phố lớn và các vùng lân cận Mặc dù vậy, hiện nay hệ thốngcáp ngầm có xu hướng được sử dụng không chỉ ở các thành phố mà cả vùng ngoại

ô, do khó khăn trong công tác đền bù và ảnh hưởng đến môi trường của các đườngdây trên không

SL type 7

C¸p c¸ch ®iÖn b»ng giÊy tÈm dÇu/dÇu

C¸p tÈm dÇu C¸p dÇu C¸p lo¹i èng

Lo¹icóđai Lo¹i SL Lo¹i H C¸p lo¹i èng dïng dÇu C¸p lo¹i èng dïng khÝ C¸ch ®iÖn

C¸p nhùa/cao su

Khí

Cao su

Nhùa

C¸p dïng cao su tù nhiªn Cáp dùng cao su Butyl Cáp dùng cao su EP Cáp nhùa CV Cáp nhùa XLPE

Lõi dẫn Cách điện

Do nhược điểm này, cáp đặc được thay thế bằng cáp nhựa, ví dụ cáp XLPE,trong những năm gần đây Cáp đặc hiện nay không được sử dụng trong các côngtrình mới, ngoại trừ sử dụng cho cáp một chiều đi dưới biển và có khoảng cáchtruyền tải lớn

(2) Cáp dầu

Cáp dầu là loại cáp đại diện cho cáp áp lực, được sử dụng rộng rãi cho các cấpđiện áp từ 66kV trở lên Cáp dầu được L Emanueli thuộc hãng Pirelli - Italy phátminh Dầu được lưu thông bên trong cáp Áp suất của dầu trong cáp được duy trìcao hơn áp suất không khí để ngăn chặn các lỗ trống phát sinh trong cách điện (mộtnhược điểm lớn của cáp đặc) Khả năng ưu việt của cách điện giúp tăng giới hạnnhiệt độ của lõi dẫn, có nghĩa là tăng khả năng tải và giảm độ dày cách điện Hệthống 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 điệnxảy ra

Ống dầu

Lõi dẫn

Cách điệnMàn chắn cách điệnBăng quấn bằng dây đồng

Lõi dẫn Cách điệnDầuDây trượtỐng thépLớp chống ăn mòn

Hình 2.5: Cáp dầu dạng ống(4) Cáp XLPE

Cáp XLPE sử dụng cách điện bằng polyethylene liên kết chéo và thườngkhông có lớp vỏ kim loại Cấu trúc cáp được minh hoạ như hình 2.6 Cáp XLPE cócác đặc tính rất ưu việt như: cách điện tốt, tổn hao điện môi thấp, tính mềm dẻo về

cơ học và trọng lượng nhẹ Do loại cáp này không chứa dầu, nên nó có thể sử dụng

ở mọi dạng địa hình, kể cả địa hình có độ chênh cao lớn và những nơi có chấn độngmạnh

Cáp XLPE hiện nay đã thay thế cáp dầu đối với các cấp điện áp 66, 77 và154kV Từ một vài năm trước, cáp XLPE cũng đã được sử dụng cho điện áp275kV, với chiều dài truyền tải lớn Trong các nhà máy điện và trạm biến áp, cápXLPE đã được sử dụng để liên kết các thiết bị, với cấp điện áp 500kV

Lõi dẫn Lớp bán dẫn trong Cách điện

Lớp bán dẫn ngoài

Vỏ nhôm xoắn

Lớp chống ăn mòn

Hình 2.6: Cáp XLPE

(5) Cáp cách điện bằng khí (Gas isolated line - GIL)

Cáp cách điện bằng khí sử dụng một ống kim loại có đường kính lớn, bêntrong có chứa khí SF6 (khí sulfur hexafluoride) và lõi dẫn một pha hoặc ba phađược đỡ bằng các miếng đệm cách điện bằng nhựa epoxy Hình 2.7 minh họa cấutrúc cơ bản của GIL Các đoạn của GIL được làm sẵn trong các nhà máy Các đoạncáp, mỗi đoạn dài vài chục mét, được lắp ráp sẵn với lõi dẫn và vỏ trong các nhàmáy Các đoạn cáp này được gắn với nhau tại nơi rải cáp GIL có các đặc tính sau:

 Ống có đường kính lớn cho phép sử dụng lõi dẫn và vỏ tiết diện lớn, do đó cókhả năng tải lớn hơn so với các loại cáp khác

 Do cáp sử dụng cách điện khí (SF6), nên hầu như không có tổn hao điện môi

và dòng điện nạp chỉ bằng khoảng 1/3 so với cáp dầu

 Khí cách điện (SF6) có độ dẫn nhiệt cao và cho phép sự đối lưu nhiệt hiệuquả, do đó giảm được nhiệt trở giữa lõi dẫn và vỏ và làm giảm thiểu sự tăngnhiệt độ cáp do lõi dẫn phát nóng

Hình 2.7: Cáp cách điện khí

Do có cấu trúc đặc biệt, GIL không có được độ mềm dẻo về cơ học so với cácloại cáp khác, vì thế việc lắp đặt sẽ gặp một số khó khăn Ngoài ra, chi phí sản xuấtcủa GIL rất cao, do rất khó chế tạo loại cáp này theo một dây chuyền tự động liêntục Vì vậy, GIL có giá thành cao và chủ yếu được sử dụng cho các đường cáp ngắn,khoảng vài trăm mét, để liên kết giữa đường dây trên không và các thiết bị trongtrạm biến áp, khi các loại cáp khác không thể đáp ứng yêu cầu về khả năng tải

Đệm hình nón

Chỗ nối tiếp xúc Đệm dạng trụ

Vỏ Khí SF6

Lõi dẫn Mối nối (trên công trường)

2.4 Phụ ki n cáp ện cáp điện cáp n

l c ực

2.4.1 Khái quát chung

Đường cáp ngầm bao gồm cáp ngầm và một số các phụ kiện Các thiết bị nốitrực tiếp với cáp ngầm nói chung được gọi là phụ kiện Cũng giống như các thiết bịđiện khác, đường cáp ngầm được xây dựng bằng cách lắp đặt các bộ phận được sảnxuất 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 cáchđiện được lắp ghép thủ công tại công trường và các bộ phận của chúng có kíchthước lớn khi sử dụng cho cấp điện áp siêu cao, đòi hỏi phải có công nghệ và kỹnăng làm việc rất cao, đồng thời phải có một số lượng lớn công nhân, làm việctrong nhiều giờ, trong điều kiện rất khó khăn

2.4.2 Các loại hộp nối

2.4.2.1 Hộp nối thẳng

Hộp nối thẳng được sử dụng để liên kết các đoạn cáp cùng loại, theo phươngthẳng hàng Có các loại hộp nối thẳng sau: (1) Hộp nối thường, (2) Hộp nối cáchđiện (cách ly vỏ kim loại), (3) Hộp nối chặn dầu

(1) Hộp nối thường

Một hộp nối thường được sử dụng để nối hai đoạn cáp một cách đơn giản Đốivới cáp dầu, giấy tẩm dầu hẹp và rộng được quấn xung quanh lõi dẫn trần và phầnống nén lõi dẫn để cách điện Phương pháp này được sử dụng cho cáp ở mọi cấpđiện áp

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

6.6kV - 77kV: 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)

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

275kV - 500kV: Một phòng sạch được xây dựng tại vị trí nối cáp trên côngtrường và sử dụng một máy đúc ép nhỏ gọn Hộp nối được đúc, đùn trong phòngnày, sau đó tiến hành đảo vỏ

Hình 2.8: Hộp nối thường cho cáp dầu đơn lõi (154kV đến 500kV)

) Nhự (7 Bộ (3

)

Đi

ều (8

B

ộ (4

) Các (9 Ch(5

) Ống

Hình 2.9: Hộp nối thường cho cáp XLPE đơn lõi (154 đến 275kV)

(2) Hộp nối cách ly vỏ kim loại

Loại hộp nối này được sử dụng để tạo ra sự đảo vỏ nhằm mục đích giảm tổnhao trong vỏ kim loại đối với cáp đơn lõi Hộp nối này cách điện phần vỏ kim loại

của hai đầu cáp với nhau Cấu trúc hộp nối giống như hộp nối thường trừ phần cáchđiện vỏ.

Hình 2.10 Hộp nối cách ly vỏ kim loại

(3) Hộp nối chặn dầu (hộp nối ngắt)

Đối với tuyến cáp dầu dài và được lắp đặt ở địa hình có độ chênh cao lớn, cầnthiết phải chia một phân đoạn cấp dầu thành các phân đoạn nhỏ hơn, để việc bảodưỡng và thiết kế cấp dầu được thuận lợi và dễ dàng Hộp nối ngắt được thiết kế đểchặn dầu tại các phân đoạn, trong khi vẫn có sự kết nối về điện

Trước đây, cách điện bằng sứ được lắp đặt để chặn dầu và hộp nối được chiathành ba ngăn Hộp nối chặn hiện đại sử dụng các bộ phận chặn bằng nhựa epoxy

và chỉ chia hộp nối thành hai buồng Cấu trúc của hộp nối chặn với bộ phận chặnthay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất

(1) Hộp đầu cáp kín cách điện không khí

Hộp đầu cáp kín cách điện không khí được sử dụng để nối đường dây trênkhông và thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí Sử dụng cách điện bằng sứ đểcách điện với bên ngoài

Vật liệu cách điện bên trong thay đổi tuỳ thuộc loại cáp Đối với cấp cao áp từ275kV trở lên, sử dụng giấy cách điện rộng cho cả cáp dầu và cáp XLPE

(1) Đầu lõi dẫn(2) Tấm chống phóng điện corona(3) Khung kim loại trên

(4) Nút kín khí hoặc chất lỏng(5) Cách điện

(6) Khí hoặc chất lỏng cách điện(7) Tụ hình nón

(8) Nút kín khí hoặc cách điện(9) Cách điện kiểu bệ

(10) Khung kim loại dưới(11) Hàn chì

Hình 2.12: Hộp đầu cáp kín cách điện không khí

(2) Hộp đầu cáp kín cách điện dầu

Hộp đầu cáp cách điện dầu được sử dụng để nối cáp và thiết bị như máy biến

áp, trong môi trường dầu, bên trong vỏ của thiết bị Bề mặt cách điện sứ được cáchđiện bằng cách đổ dầu Hộp đầu cáp kín cách điện dầu có các ưu điểm sau:

 Có thể lắp đặt trong không gian hẹp, không cần có giới hạn về khoảng cáchđến các cấu trúc khác

 Giảm thiểu sự ô nhiễm và nguy hiểm đến con người do được bọc kín

Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm sau:

 Đòi hỏi rất nhiều thời gian để tháo cáp khỏi máy biến áp

 Việc kiểm tra riêng rẽ cáp và máy biến áp gặp nhiều khó khăn

(1) Sứ lõm(2) Đầu lõi dẫn(3) Khung kim loại trên(4) Mặt bích cách điện (5) Tụ hình nón

(6) Vỏ trên(7) Khung kim loại lắp ráp(8) Cách điện

(9) Bộ phận dự phòng(10) Vỏ kim loại bảo vệ cáp(11) Vỏ dưới

(12) Vòng chữ O(13) Cực đấu(14) Cực nối đất(15) Hàn chì

Hình 2.13: Hộp đầu cáp kín cách điện dầu cho cáp XLPE

(3) Hộp đầu cáp kín cách điện bằng khí SF6

Loại hộp đầu cáp này được sử dụng để nối cáp với các thiết bị đóng cắt cáchđiện bằng khí SF6 Hộp đầu cáp kín cách điện bằng khí SF6 có cấu trúc cơ bản giốngnhư loại Hộp đầu cáp kín cách điện dầu nhưng chứa khí SF6 thay cho dầu

Khí SF6 có độ ổn định rất cao trong điều kiện bình thường Tuy nhiên, nếu xảy

ra phóng điện corona hoặc phóng điện vầng quang, phản ứng giữa khí SF6 bị phânhuỷ và nước sẽ sinh ra axit hydrofluoric, có thể gây hư hỏng sứ Do đó, cách điệnbằng nhựa epoxy được thay cho cách điện sứ do nhựa epoxy ít bị ảnh hưởng củaaxit hydrofluoric

Để giảm sự hư hỏng do bụi trong quá trình lắp ráp trên công trường, hiện naycách điện được lắp đặt trong nhà máy, do đó chỉ yêu cầu đấu nối với cáp tại côngtrường.

(1) Thanh cái(2) Vỏ

(3) Khí(4) Bộ tiếp nối thanh cái(5) Đầu lõi dẫn

(6) Nút kín khí hoặc chấtlỏng

(7) Cực cao áp gắn chặt(8) Cách điện Epoxy (9) Khí hoặc chất lỏngcách điện

(10) Tụ hình nón(11) Mặt bích cách điện (12) Nút kín khí hoặc chấtlỏng

(13) Khung kim loại dưới(14) Cáp

(15) Hàn chì

Hình 2.14 Hộp đầu cáp kín cách điện bằng khí SF 6

2.5 Các cơ chế gây già hóa đối với cách điện của cáp ngầm

Hư hỏng do già hóa cách điện là một hiện tượng không thể tránh khỏi trong hệthống cáp ngầm và dẫn tới nguyên nhân gây ra sự cố Già hóa cách điện sinh ra dotác động của một vài yếu tố riêng biệt như nhiệt, điện, cơ khí và môi trường Nhữngyếu tố già hóa gây hư hỏng cách điện cáp ngầm được thống kê ở Bảng 2.1:

Bảng 2.1 Cơ chế gây già hóa cách điện của cáp ngầm

Kích hoạt các cơ chế già hóa hoặc thay đổi đặc tính với đại bộ phận các vậtliệu cách điện ở bên trong hoặc bên ngoài là nguyên nhân gây suy giảm cách điện

và được biết như già hóa cách điện Sự suy giảm chất lượng cách điện là kết quả của

sự hiện diện các chất gây ô nhiễm, hư hỏng, khuyết tật, sự xâm nhập làm mấp môtrong vật liệu cách điện và tác động bên trong chúng bởi các cơ chế lão hóa khácnhau

Dưới các điều kiện thông thường, các ứng suất điện là những yếu tố già hóa dễnhận thấy nhất đó là hư hỏng của cáp qua phóng điện cục bộ và nguy hiểm hơn làquá trình tạo thành “cây nước” (water tree) Bên trong điện môi được đùn ép chấthữu cơ và đặc biệt là đối với cáp XLPE, đa số hư hỏng của cáp có liên quan đến sựhoạt động của cây nước Sơ đồ quá trình hư hỏng trong cách điện cáp trung áp vớimột vài mối nguy hiểm được xem giống như sự phát triển của mô hình cây nước.Hiện tượng đánh thủng đầu tiên tiến hành trong sự hình thành “cây điện” (electricaltree – ET) hoặc cây nước dưới điện áp DC, AC và điện áp xung Nguyên nhân banđầu của sơ đồ cây trong các điện môi khô là phóng điện cục bộ bên dưới các ứngsuất điện áp cao và độ ẩm dưới các ứng suất điện áp thấp hơn Mặt khác, không phảitất cả hiện tượng suy giảm cách điện là có liên quan đến các ứng suất điện Cáp điện

có thể hư hỏng bên dưới các điều kiện khác, thông thường là qua sự đánh thủngcách điện với nguyên nhân bởi lão hóa vì nhiệt

Những phần dưới đây sẽ được đề cập đến các cơ chế già hóa cách điện thôngthường nhất như phóng điện cục bộ, cây điện, cây nước

2.5.1 Phóng điện cục bộ

Phóng điện cục bộ là kết quả từ phóng điện bên trong do sự hình thành các lỗhổng của cách điện, bọt khí, chỗ trống giữa điện môi và chất bán dẫn, phóng điệntạo đường dẫn dọc theo vết ngăn giữa hai thành phần, hoặc phóng điện từ sự pháttriển của cây điện hoặc cây nước Khi cường độ điện trường bên trong lỗ trống hoặcnhững rạn nứt đạt đến một ngưỡng giá trị, thể khí sinh ra do ion hóa chỗ khuyết tật,các điện tử tự do tạo ra bởi các va chạm ban đầu một cách liên tục, dần dần sẽ dẫn

đến đánh thủng hoặc phóng điện qua lỗ trống, khuyết tật trong cách điện Chi tiết về hiện tượng phóng điện cục bộ sẽ được đề cập đến trong chương tiếp theo.

Vỏ cáp (Cable Sheath) Lỗ trống (Void)

Cách điện (Insulation)

Lớp bán dẫn

(Semiconductor)

Lõi dẫn (Conductor) Cây điện (Electric – tree)

Hình 2.15: Cây điện trong vật liệu cách điện cáp ngầm

2.5.2 Cây điện

Sự hiện diện các ứng suất điện áp cao và đi theo các hướng khác nhau là yếu tốmang đến sự hình thành và sản sinh các cây điện (ET) Một cây điện có thể bao gồmnhiều đường dẫn phóng điện như các nhánh và thân cây được xuất phát từ thân câyđầu tiên

Cấu trúc cây điện được nhìn rõ bên dưới kính hiển vi với điện môi thể đặc nhưhình 2.16

Cây điện cũng có thể được hình thành ban đầu với sự kéo dài các hoạt độngphóng điện cục bộ từ sự đùn ép ở giao diện bề mặt điện môi bán dẫn, nhiễm bẩnhoặc từ một chuyển đổi dạng cây nước Khởi đầu thông thường cây điện sẽ sinh raqua một loạt miếng vỡ rời rạc của cách điện và các dạng nhánh cây bắc cầu, lúc đóhiện tượng đánh thủng sẽ diễn ra Do đó, cây điện được kết luận là quá trình lão hóadẫn đến hư hỏng cách điện