Nghiên cứu lựa chọn giải pháp nối đất lớp bảo vệ của cáp ngầm thuộc lưới điện phân phối thành phố đà nẵng

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP NỐI ĐẤT LỚP BẢO VỆ CÁP NGẦM THUỘC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐITHÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG Học viên: Nguyễn Như Khoa Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã số: 8520201 Khóa:K36 Tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

oOo

-NGUYỄN NHƯ KHOA NAM

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP NỐI ĐẤT LỚP BẢO VỆ CÁP NGẦM THUỘC LƯỚI ĐIỆN

PHÂN PHỐI HÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

oOo

-NGUYỄN NHƯ KHOA NAM

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP NỐI ĐẤT LỚP BẢO VỆ CÁP NGẦM THUỘC LƯỚI ĐIỆN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.Trịnh Trung Hiếu là đề tài làm mới, không sao chép hay trùng với đề tài nào đãthực hiện, chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã nêu trong báo cáo

Các số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực và chưa từng được ai công bốtrong bất kỳ công trình nào khác

Nếu sai, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả luận văn

Nguyễn Như Khoa Nam

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP NỐI ĐẤT LỚP BẢO VỆ CÁP NGẦM THUỘC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

Học viên: Nguyễn Như Khoa Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện

Mã số: 8520201 Khóa:K36 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Lưới điện phân phối Thành phố Đà Nẵng chủ yếu là đường dây trênkhông, một vài vị trí khu vực đông dân cư như đường Trần Phú, đường Lê Duẫn, đườngTrần Hưng Đạo… đã được ngầm hóa Với các ưu điểm vượt trội của cáp ngầm so vớiđường dây trên không (DDK) như là: Sự chiếm đất, hạn chế việc sử dụng đất đai, ảnhhưởng về mỹ quan, môi trường, độ tin cậy … thì lãnh đạo thành phố Đà Nẵng cùng vớicông ty TNHH MTV Điện lực Đà Nẵng đang hướng tới việc dùng cáp ngầm để vận hànhthay thế hoàn toàn cho DDK ở một số khu vực đông dân cư trên địa bàn thành phố Tuynhiên, việc lắp đặt đầu nối và vận hành cáp ngầm hiện nay lại chưa được quan tâm vàthống nhất ở vấn đề nối đất lớp bảo vệ kim loại, do đó cần có một nghiên cứu cụ thể đểđánh giá các cách nối đất lớp bảo vệ kim loại này để từ đó đề xuất phương án nối đất hợp

lý nhất cho lưới điện phân phối công ty TNHH MTV Điện lực Đà Nẵng

Từ khóa – Lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm; tổn thất trong cáp ngầm; dòng điện

tuần hoàn; tính toán tổn thất trong việc vận hành cáp ngầm

RESEARCH CHOOSE THE EARTH SOLUTION SHEATH

CABLES FOR DA NANG CITY

Abstract - The distribution network of Danang City is mainly an overhead line,some locations of densely populated areas such as Tran Phu Street, Le Duan Street,Tran Hung Dao Street, etc have been underground With the outstanding advantages

of underground cables compared to overhead lines (DDK) such as: Land acquisition,restrictions on land use, aesthetic impact, environment, reliability Da Nang city and

Da Nang Electric One Member Company Limited are aiming to use undergroundcables to operate and completely replace DDK in some densely populated areas in thecity However, the installation of connectors and the operation of underground cablesare currently not considered and agreed upon in the grounding of the metal protectivelayer, so a specific study is needed to assess the ways of grounding this metalprotection layer from which to propose the most reasonable grounding plan for thedistribution grid of Danang Power One Member Company Limited

Keywords: Sheaths cables, losses in cables; sheath circulating currents, calculate losses in cables

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn 2

6 Bố cục đề tài 2

7 Tổng quan về tài liệu nghiên cứu 3

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 4

1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối thành phố Đà Nẵng 4

1.1.1 Giới thiệu chung 4

1.1.2 Chế độ vận hành của lưới phân phối 22kV thành phố Đà Nẵng 4

1.1.3 Ưu nhược điểm 5

1.2 Kết luận 10

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NỐI ĐẤT LỚP BẢO VỆ CÁP NGẦM TRUNG THẾ 11

2.1 Giới thiệu về cáp ngầm 11

2.2 Các loại tổn thất trong cáp ngầm 12

2.2.1 Tổn thất điện môi 12

2.2.2 Tổn thất điện trở dây dẫn 13

2.2.3 Tổn thất do lớp bảo vệ kim loại 13

2.2.3.1 Giới thiệu vệ lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm 13

2.2.3.2 Các phương pháp nối đất lớp bảo vệ kim loại 14

2.2.3.3 Lựa chọn hệ thống nối đất lớp bảo vệ 20

2.3 Kết luận 22

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP NỐI ĐẤT LỚP BẢO VỆ KIM LOẠI CÁP NGẦM 23

3.1 Tổn thất phụ thuộc vào điện áp 23

3.2.Tổn thất phụ thuộc vào dòng điện 24

3.2.1 Tổn thất do điện trở dây dẫn 25

3.2.2 Tổn thất lớp bảo vệ kim loại 27

3.2.2.1 Nối đất hai đầu lớp bảo vệ 27

3.2.2.2 Nối đất một điểm lớp bảo vệ 35

3.3 Tính toán tổn thất vận hành cáp ngầm cho lưới điện phân phối Thành phố Đà Nẵng 45 3.3.1 Xuất tuyến 475/110 Liên Trì 45

3.3.2 Tính toán tương tự cho toàn bộ hệ thống cáp ngầm lưới điện phân phối Thành phố Đà Nẵng 48

3.4 Kết luận 51

KẾT LUẬN CHUNG VÀ CÁC KIẾN NGHỊ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC

Ủy ban kỹ thuật Điện quốc tếViện kỹ nghệ Điện và Điện tử

3.15 Tính toán các giá trị cảm ứng trong trường hợp cáp được bố trí 47

dạng hình lá XT 475E11

3.16 Tính toán tổn thất điện môi cáp ngầm lưới điện phân phối thành 48

3.17 Tính toán tổn thất công suất khi nối đất hai đầu cáp ngầm lưới 49

điện phân phối thành phố Đà Nẵng

3.18 So sánh giữa hai hệ thống nối đất lớp bảo vệ kim loại 51

2.3 Cấu trúc dây dẫn - cách điện – lớp bảo vệ kim loại 12

2.5 Lớp màn chắn kim loại không được nối đất 15

2.7 Việc nối đất đơn điểm một phía 16

2.9 Mặt cắt của cáp lực có lớp bảo vệ kim loại được nối đất tại hai đầu 172.10 Sơ đồ nối lớp bảo vệ cáp ngầm qua một trở kháng 182.11 Sơ đồ nối chéo lớp bảo vệ cáp ngầm 192.12 Sơ đồ nối chéo lớp bảo vệ cáp ngầm không có hoán vị 192.13 Sơ đồ nối chéo lớp bảo vệ cáp ngầm có hoán vị 193.1 Dòng tuần hoàn trong lớp bảo vệ cáp ngầm 28

3.2 Ảnh hưởng khoảng cách với tổn thất dòng điện tuần hoàn – lắp đặt 32

cáp hình lá

3.3 Ảnh hưởng khoảng cách với tổn thất dòng điện tuần hoàn – lắp đặt 33

cáp hình phẳng

3.4 Hệ số tổn thất lớp bảo vệ và điện trở lớp bảo vệ với dạng cáp hình 33

lá với khoảng cách cáp là De và 2De

3.5 Dòng điện tuần hoàn lớp bảo vệ và điện trở lớp bảo vệ với dạng 34

cáp hình lá với khoảng cách cáp là De và 2De

3.7 Sơ đồ nối một đầu lớp bảo vệ cáp ngầm 36

Đặc tính quan hệ giữa dòng điện tuần hoàn lớp bảo vệ và điện trở

3.8 lớp bảo vệ với việc bố trí dạng cáp hình lá có khoảng cách khác 39

nhau

3.9 Độ dốc điện áp cảm ứng lớp bảo vệ với dòng điện 1000A 43

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Lưới điện phân phối Thành phố Đà Nẵng có đặc điểm đặc trưng chung của lướiđiện phân phối: Phân bố trên diện rộng, mạng lưới chằng chịt, nhiều nhánh rẽ… chủyếu là đường dây trên không, một vài vị trí khu vực đông dân cư như đường Trần Phú,đường Lê Duẫn, đường Trần Hưng Đạo… đã được ngầm hóa Với các ưu điểm vượttrội của cáp ngầm so với đường dây trên không (DDK) như là: Sự chiếm đất, hạn chếviệc sử dụng đất đai, ảnh hưởng về mỹ quan, môi trường, độ tin cậy … thì lãnh đạothành phố Đà Nẵng cùng với công ty TNHH MTV Điện lực Đà Nẵng đang hướng tớiviệc dùng cáp ngầm để vận hành thay thế hoàn toàn cho DDK ở một số khu vực đôngdân cư trên địa bàn thành phố

Tuy nhiên, việc lắp đặt đầu nối và vận hành cáp ngầm hiện nay lại chưa đượcquan tâm và thống nhất ở vấn đề nối đất lớp bảo vệ kim loại, do đó cần có một nghiêncứu cụ thể để đánh giá các cách nối đất lớp bảo vệ kim loại này để từ đó đề xuấtphương án nối đất hợp lý nhất cho lưới điện phân phối công ty TNHH MTV Điện lực

Đà Nẵng

Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu lựa chọn giải pháp nối đất lớp bảo vệ của cáp ngầmthuộc lưới điện phân phối Thành phố Đà Nẵng” sẽ nghiên cứu các phương pháp nốiđất lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm, tính toán các số liệu, so sánh ưu nhược điểm củatừng phương pháp Và đưa ra các phương án nối đất lớp bảo vệ cáp ngầm phù hợp vớiđiều kiện để vận hành lưới điện cho hiệu quả

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu và đưa ra các phương pháp nối đất lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm theo tiêu chuẩn quốc tế

- Tính toán và so sánh các phương pháp nối đất lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm

để áp dụng cho thực tế vận hành cáp ngầm trên lưới điện Thành phố Đà Nẵng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Cáp ngầm điện lực 22kV

- Phạm vi nghiên cứu: Đề tài chỉ xét đến việc nghiên cứu đưa ra các phươngpháp nối đất lớp bảo vệ cáp ngầm theo tiêu chuẩn IEEE 575-2014 và so sánh ưu nhượcđiểm của các phương pháp để lựa chọn việc nối đất lớp bảo vệ cho phù hợp với hệ thốnglưới điện thành phố Đà Nẵng

4 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các vấn đề nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu nhưsau:

- Đưa ra các phương pháp nối đất lớp bảo vệ cáp ngầm theo tiêu chuẩn quốc tế

IEEE 575-2014.

- Tính toán và so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp nối đất lớp bảo vệkim loại cáp ngầm theo tiêu chuẩn IEC 60287 ở xuất tuyến 475 trạm biến áp 110kVLiên Trì

- Đề xuất việc đấu nối lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm để vận hành cáp ngầm hiệu quả hơn theo tiêu chuẩn quốc tế và các nước khác trong khu vực

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn

6 Bố cục đề tài

Ngoài các phần mở đầu và kết luận kiến nghị, nội dung đề tài có 3 chương baogồm:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống lưới điện Công ty Điện lực Đà Nẵng

Nêu cấu trúc của lưới điện phân phối thành phố đà nẵng Các ưu và nhược điểmcủa việc vận hành cáp ngầm so với DDK: Tính kinh tế, kỹ thuật, môi trường

Chương 2: Các phương pháp nối đất lớp bảo vệ cáp ngầm trung thế

- Giới thiệu chung về cấu tạo cáp ngầm: Cấu tạo, lắp đặt, vận hành…

- Giới thiệu về lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm

- Dựa vào tiêu chuẩn IEEE-575-2014 để đưa ra các phương pháp nối đất lớp bảovệ: Khi không nối đất, nối đất đơn điểm, nối đất đa điểm, nối chéo …

Chương 3: Tính toán và so sánh các phương pháp nối đất lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm

- Việc tính toán giá trị tổn thất theo tiêu chuẩn IEC 60287, IEEE 575 và theo nhà chế tạo với xuất tuyến 475 Trạm biến áp 110kV Liên Trì

Đưa ra các số liệu cho hệ thống cáp ngầm

Tính toán các loại tổn thất với việc vận hành cáp ngầm bằng phương pháp nối đất đa điểm như hiện trạng

- Tổn thất phụ thuộc vào điện áp: Tổn thất điện môi

- Tổn thất phụ thuộc vào dòng điện: Tổn thất do điện trở dây dẫn và các hệ số ảnh hưởng, tổn thất do việc nối đất lớp bảo vệ kim loại.

Tính toán các loại tổn thất với việc vận hành cáp ngầm bằng phương pháp nối đất đơn điểm

- Tổn thất do dòng điện Foucault

- Tính điện áp dừng tại đầu không được nối đất

Đưa ra các số liệu so sánh về tổn thất: với việc lắp đặt bố trí cáp: hình phẳng

và hình tam giác; Điện trở suất của các vật liệu dây dẫn cáp; Khoảng cách lắp đặt cáp;Dòng điện mang tải

Lựa chọn phương pháp nối đất lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm

Trên cơ sở tính toán trên, căn cứ vào quy trình an toàn điện của EVN, tiêuchuẩn IEEE575 và thực tế tại các nước trên thế giới để lựa chọn phương pháp nối đấtlớp bảo vệ kim loại cáp ngầm cho phù hợp

Kết luận chung, so sánh các ưu nhược điểm của các phương pháp nối đất lớpbảo vệ, các kiến nghị để áp dụng vào thực tế

7 Tổng quan về tài liệu nghiên cứu

Đề tài thuộc dạng nghiên cứu ứng dụng, mặc dù việc đấu nối lớp bảo vệ kimloại cáp ngầm đã được sử dụng rất nhiều và phổ biến từ nhiều năm qua nhưng chưa cónghiên cứu nào đưa ra các giải pháp nối đất lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm tương ứngvới từng trường hợp cụ thể của từng loại cáp

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối thành phố Đà Nẵng

1.1.1 Giới thiệu chung

Thành phố Đà Nẵng nhận điện từ Trạm biến áp 500kV Đà Nẵng (E51) qua 09Trạm biến áp 110, 220 kV (Hòa Khánh, Hòa Khánh 2, Liên Chiểu, Xuân Hà, Liên Trì,Cầu Đỏ, Quận Ba, An Đồn, Hoà Liên) với tổng công suất đặt là 811 MVA, 70 xuấttuyến 22kV phân bố trải đều trên địa bàn

1 Các trạm biến áp 220-110kV Hòa Khánh (E9), 110kV Hòa Khánh 2 và110kV Liên Chiểu (Elc): cấp điện khu vực quận Liên Chiểu, huyện Hòa Vang, các khucông nghiệp Hòa Khánh, Hòa Khánh mở rộng, Liên Chiểu, khu công nghệ cao, các khu

4 Các trạm biến áp 220kV Ngũ Hành Sơn (E13), 110kV An Đồn (E14): cấpđiện khu vực quận Ngũ Hành Sơn, Sơn Trà, các khu du lịch dọc đường Hoàng Sa-Trường Sa, bán đảo Sơn Trà, cảng Tiên Sa, các khu công nghiệp An Đồn và dịch vụ thủysản Thọ Quang

5 TBA 110kV Hòa Liên: cấp điện cho Khu Công Nghệ Cao

Trong trường hợp thiếu công suất thì nguồn Diezel tại Trạm phát Cầu Đỏ (T10)được huy động và hoà vào hệ thống điện Mọi thao tác cấp nguồn lưới Quốc gia cho hệthống điện Đà Nẵng và việc điều động máy Diezel đều do Trung Tâm Điều Độ MiềnTrung A3 và Điều Độ phân phối B35 phối hợp điều hành

Tổng công suất tải cực đại Pmax năm 2016 khoảng 460MW, sản lượng ngàycực đại Amax khoảng 9,26 triệu kWh Phụ tải đỉnh hệ thống diễn ra vào lúc 21g00đến 21g30 ngày bình thường

1.1.2 Chế độ vận hành của lưới phân phối 22kV thành phố Đà Nẵng

Lưới điện phân phối Thành phố Đà Nẵng cũng có các đặc điểm đặc trưng chungcủa lưới điện phân phối: phân bố trên diện rộng, mạng lưới chằng chịt, nhiều nhánh rẽ,

… Trước đây, lưới phân phối thành phố cũng tồn tại nhiều cấp điện áp như

6, 15, 22, 35kV nhưng qua thời gian cải tạo theo quy hoạch đến cuối năm 2012 chỉ cònmột cấp điện áp 22kV.

Cấu trúc của lưới phân phối 22kV trên địa bàn thành phố Đà Nẵng là 3 pha 3dây, trung tính nối đất trực tiếp tại đầu nguồn - phía 22kV của máy biến áp 110/22kV,chế độ vận hành bình thường là vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá Để tăngcường độ tin cậy cung cấp điện, các xuất tuyến 22kV liên lạc với nhau tại các điểm mởbằng dao cách ly, dao cách ly có tải hoặc recloser tạo nên cấu trúc mạch vòng nhưngvận hành hở, chủ yếu để phục vụ chuyển tải cấp điện khi cắt điện công tác hoặc xử lý

sự cố

Cấu trúc mạch vòng vận hành hở tập trung chủ yếu ở khu vực trung tâm thànhphố như quận Hải Châu, Thanh Khê, còn các khu vực khác chủ yếu là mạng hình tia, ítliên lạc do đường dây dài, tiết diện dây nhỏ, phân bố trên địa bàn rộng

1.1.3 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

Gần nguồn 500kV nên khả năng sẵn sàng cấp điện tốt, tổn thất thấp

Địa hình tập trung nên bán kính cấp điện nhỏ, giảm tổn thất công suất và điện áp, đồngthời thuận lợi cho công tác xử lý sự cố, dịch vụ khách hàng…

Quản lý vận hành lưới điện 110kV nên chủ động trong vận hành, bảo trì bảodưỡng và xử lý sự cố

Toàn bộ lưới điện đã chuyển về điện áp 22kV, thuận lợi cho việc vận hành vàchuyển tải

Nhiều mạch vòng liên lạc trong khu vực nội thành đảm bảo chuyển tải Đã đưavào khép vòng nóng lưới điện

Có hệ thống SCADA/DMS

Đã đưa vào vận hành TTĐK và TBA không người trực

Triển khai ứng dụng hotline

Thiết bị dần được thay thế hiện đại, đồng bộ

Phụ tải du lịch dịch vụ chiếm tỉ trọng lớn

Nhược điểm

 Khu vực thường có mưa bão hàng năm

 Gần nguồn nên dòng điện ngắn mạch lớn

 Đường dây 110kV Quận 3 – An Đồn chỉ có một mạch

 Mức độ mang tải các TBA 110kV và các đường dây trung thế cao nên khả năng dự phòng N-1 thấp

 Liên lạc 22kV hai bên bờ sông Hàn yếu

 Lưới điện đi qua khu vực gần biển bị nhiễm mặn thường xảy ra sự cố.

 Đường dây dài, đi qua địa hình đồi núi hoặc khu vực trồng cây của khách hàng thường xảy ra sự cố do giông sét, hành lang tuyến

 Một số cáp ngầm đường trục liên lạc có tiết diện nhỏ nên hạn chế chuyển tải

 Các phụ tải thép có đồ thị phụ tải không đều, gây ra nhiều sóng hài và nhấp nháy điện áp làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác

 So sánh cáp ngầm và đường dây trên không

Ngày nay trên thế giới, ở hầu hết các nước, luật bảo vệ môi trường đã được banhành quy định những thủ tục khắt khe cho việc đánh giá tác động đối với môi trường.Các dự án truyền tải và phân phối điện cũng không phải là ngoại lệ, các đường dâytruyền tải điện trên không (ĐDK) đã trở thành tiêu điểm cho sự phản đối của côngchúng với một câu hỏi: “Tại sao không đặt các đường dây điện xuống dưới mặt đất?”

Các lý do cho việc quyết định liệu một đường dây sẽ xây dựng có nên ngầmdưới đất hay không:

- Các luật của quốc gia

- Chính sách của công ty

- Các lý do kỹ thuật

- Các lý do địa hình, môi trường

- Các lý do kinh tế

- Ý kiến của công chúng

- Yếu tố thời gian

- Sức ép về môi trường

Ảnh hưởng tới môi trường của ĐDK và đường cáp ngầm bao gồm các khíacạnh như: sự chiếm đất, hạn chế việc sử dụng đất đai, ảnh hưởng về mỹ quan Cũng cómột xu hướng phổ biến trong một bộ phận công chúng và một số nhà bảo vệ môitrường là tìm kiếm giải pháp thay thế ĐDK bằng đường cáp ngầm Nói chung côngchúng không hiểu sâu sắc về vấn đề kinh tế, kỹ thuật và môi trường liên quan Thựcchất, sức ép về môi trường được xem xét, bao gồm các quy tắc và các tiêu chuẩn về tần

số điện, từ trường và những tiếng ồn có thể nghe thấy được trong quá trình xây dựng

và vận hành

+ Vấn đề kinh tế kỹ thuật

Tính tiện lợi

Ngay từ đầu, các ĐDK đã được sử dụng để truyền tải và phân phối điện Đó là

do sự tương đối đơn giản về thiết kế, chế tạo và quản lý vận hành của ĐDK và do chưa

có các công nghệ cần thiết để sản xuất cáp lực cao áp (đặc biệt ở cấp điện áp > 110kV) Ngày nay, nhờ sự tiến bộ của khoa học chế tạo vật liệu người ta đã sản xuất được

các loại cáp ở nhiều mức điện áp Các đường cáp ngầm điện áp cao được xem là đắthơn so với các ĐDK có cùng công suất truyền tải và có khả năng thi công lâu hơnĐDK.

Các ĐDK thường được đỡ trên các cột bê tông hoặc thép cao từ 12m đến 60 m

và khoảng cách giữa các cột từ vài chục đến vài trăm mét Các đường cáp ngầmthường được chôn xuống độ sâu khoảng 1m, hoặc được đặt trong các ống bê tông, ốngthép, hay các ống tuynel có cấu tạo đặc biệt Trước đây, các đường cáp ngầm hoặc làcáp có áp lực dầu hoặc là cáp cách điện bằng giấy tẩm dầu Ngày nay thường cách điệnbằng polyêtylen liên kết chéo (XLPE)

Điện cảm và điện dung

Khoảng cách các pha của ĐDK lớn hơn khoảng cách pha của một đường dâydùng cáp ngầm, và vì vậy các thông số điện của ĐDK và đường cáp ngầm là khácnhau

Điện cảm tỷ lệ thuận với khoảng cách pha và vì vậy điện cảm của một ĐDK lớnhơn đáng kể so với điện cảm của một đường cáp ngầm Ngược lại, điện dung tỷ lệnghịch với khoảng cách pha và cáp ngầm có điện đung lớn hơn ĐDK

Khả năng truyền tải và phân phối điện

Tổn thất điện môi: Tổn thất điện môi tăng theo mức điện áp và phụ thuộc vàoloại và độ dày của chất cách điện Tại mức điện áp cao, tổn thất điện môi trong cáp làđáng kể, khoảng hơn 20% do toả nhiệt Sự thất thoát này không phụ thuộc vào dòngđiện tải và tồn tại ngay sau khi cáp đóng điện

Việc phân tải: Trong một mạng phức tạp bao gồm nhiều đường khác nhau, khiđường cáp đặt song song với ĐDK thì cáp sẽ mang hầu hết tải vì đường cáp có trởkháng thấp hơn

Khả năng sẵn sàng cung cấp điện

Sự cố mất điện trên các ĐDK căn bản là do một số nguyên nhân sau:

- Sự phóng điện mặt ngoài lớp cách điện

Các giá trị định mức

Cả ĐDK và đường cáp ngầm phải có khả năng chịu được sự quá tải so với côngsuất thiết kế ĐDK được để lộ thiên và phải chịu vô số các điều kiện môi trường, khảnăng tải được căn cứ vào trường hợp xấu nhất Đường cáp ngầm có các điều kiện môitrường rất ổn định Chỉ có một sự thay đổi duy nhất là nhiệt độ đất xung quanh tại độsâu chôn cáp, độ sâu này là luôn không đổi

Yếu tố thứ hai được xem xét là thời gian toả nhiệt không đổi Đây là thời giancho một mạch điện đạt tới nhiệt độ hoạt động bình thường sau giai đoạn tăng tải lên.Đối với l ĐDK, thời gian này xấp xỉ 15 phút trong khi đối với đường cáp ngầm thờigian này có thể dài hơn nhiều do khối lượng toả nhiệt của đất xung quanh lớn Hằng sốthời gian toả nhiệt lâu của cáp ngầm cho phép nó đối phó được với sự quá tải trongthời gian ngắn hoặc trung bình rất hiệu quả Với các điều kiện môi trường thuận lợi,ĐDK sẽ có khả năng chịu được sự quá tải lâu hơn và tốt hơn đường cáp ngầm

Độ tin cậy

Các ĐDK có xu hướng phải chịu mất điện trong khoảng thời gian ngắn hơnnhưng thường xuyên hơn các đường cáp ngầm Các đường cáp ngầm bị mất điện trongkhoảng thời gian dài hơn nhưng ít xảy ra hơn Độ tin cậy của các ĐDK và đường cápngầm có thể được so sánh trên cơ sở thới gian bị mất điện trung bình trong suốt mộtgiai đoạn dài

Chi phí đầu tư cho dự án cáp ngầm

Việc nghiên cứu các loại chi phí của đường dây điện trên không và đường cápngầm thường tập trung vào chi phí cố định hoặc chi phí đầu tư mua sắm và lắp đặt cácđường dây cụ thể, và chi phí cho các máy móc thiết bị dùng cho truyền tải điện

Tuy nhiên, người ta cũng nhận thấy rằng ngoài đầu tư tài chính trực tiếp còn cócác chi phí khác phát sinh trong suốt quá trình lắp đặt ĐDK và đường cáp ngầm nhưcác chí phí vận hành, các chi phí bảo dưỡng, và các chi phí tổn thất Chi phí tổn thất cóthể phụ thuộc đáng kể hơn vào điện năng truyền tải trong suốt thời gian tuổi thọ của dự

án đường dây hoặc cáp

+ Vấn đề về môi trường

Trong quá trình thiết kế, lập quy hoạch, xây dựng và vận hành, các sức ép lớnthất có thể là từ trường, điện trường ở mức độ nhỏ hơn, với các hạn chế có liên quannhư: sự chiếm dụng và làm giảm giá trị đất đai, và sự hạn chế đất sử dụng Các ảnhhưởng có thể thấy được thì quan trọng đối với các ĐDK và một số ảnh hưởng có thểđược tạo ra do những lắp đặt bên ngoài của cáp ngầm, như các trạm đầu cáp và cácthiết bị bù công suất phản kháng

+ Vấn đề về chí phí

Tỷ lệ chi phí của đường cáp ngầm so với các ĐDK có thể rất khác nhau từ dự

án này sang dự án khác Việc truyền tải và phân phối điện ở mức điện áp cao bằngđường cáp ngầm tốn kém hơn nhiều so với truyền tải bằng ĐDK

Vì vậy, không thể tránh khỏi, về sử dụng sẽ có kế hoạch liên kết các đường dâytruyền tải mới sử dụng các ĐDK và đường cáp ngầm được dùng để phòng trừ cho cáctình huống mà việc lắp đặt các ĐDK là không khả thi hoặc những nơi mà việc phải lắpđặt các đường cáp ngầm là thiết yếu Trong cả hai trường hợp, kinh nghiệm cho thấy,

vì lý do kinh tế các đường cáp ngầm bị hạn chế, có độ dài tương đối ngắn

Người ta dự đoán rằng lượng đất dành cho các dự án truyền tải và phân phốiđiện sẽ giảm do mật độ dân số và giá đất ngày càng tăng Vì khoảng không gian màmột ĐDK chiếm dụng thì nhiều hơn một đường cáp tương đương Trong tương lai sựphản đối của công chúng đối với việc xây dựng các ĐDK sẽ tăng Các yếu tố thuộc vềmôi trường sẽ tiếp tục là yếu tố quan trọng trong việc so sánh ĐDK và đường cápngầm

Chi phí tương đối cao là trở ngại chính cho việc sử dụng cáp ngầm cao áp Tuynhiên do việc áp dụng các kỹ thuật chôn cáp hiện đại như khoan trực tiếp, và ngàycàng có nhiều cáp rẻ hơn và các phụ kiện được làm sẵn lên các chi phí sử dụng cápngầm sẽ giảm

Tỷ lệ chi phí của đường cáp ngầm so với ĐDK sẽ giảm mặc dù sự giảm nàykhông đủ khắc phục được sự khác nhau đáng kể giữa chúng, cụ thể là tại các mức điện

áp cao

Hệ thống lưới điện trung thế thành phố Đà Nẵng chủ yếu là đường dây trênkhông, một vài vị trí khu vực đông dân cư như đường Trần Phú, đường Lê Duẫn,đường Trần Hưng Đạo… được cấp điện bằng cáp ngầm, có các số liệu như sau:

TS Điện lực TS Khách Hàng TS Điện lực TS Khách Hàng673,581 km 119,436 km 100,253 km 49,439 km

Hệ thống cáp ngầm:

- Tại các đầu ra tất cả các xuất tuyến trạm biến áp 110kV và một số đường trụcchính sử dụng cáp đồng và nhôm tiết diện lớn khoảng 300 mm2, 240 mm2… có tổng chiều dài khoảng 50km

- Còn lại một vài nhánh rẽ, đường trục phía cuối nguồn thì sử dụng các loại cáp nhôm và đồng có tiết diện nhỏ hơn, chủ yếu là 95 mm2, 70 mm2, 50 mm2…

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NỐI ĐẤT LỚP BẢO VỆ CÁP NGẦM TRUNG THẾ 2.1 Giới thiệu về cáp ngầm

Cáp đơn pha

Cáp ba pha

1 Ruột dẫn; 2 Màng chắn ruột dẫn; 3 Cách điện; 4 Màng chắn cách điện; 5 Màng chắn kim loại; 6 Vỏ bọc; 7 Lớp giáp kim loại; 8 Vỏ bọc ngoài

Hình 2.1 Cấu tạo cáp ngầm trung thế cấp điện áp từ 3kV đến 36 kV

Cáp ngầm trung thế là loại cáp có thể chôn ngầm trực tiếp trong đất Cáp trungthế thường được hiểu là cáp có cấp điện áp từ 3 kV đến 36 kV, nhưng thông dụng nhất

là cấp điện áp 24 kV Cấp điện áp 24 kV nếu ghi đầy đủ theo tiêu chuẩn IEC 60502-2

là “12/20(24) kV”, trong đó 12 kV là khả năng chịu điện áp pha, 20 kV là khả năngchịu điện áp dây và 24 kV là mức điện áp cao nhất mà cáp có thể chịu được khi có sựdao động điện áp trong quá trình vận hành

Vì làm việc trong môi trường điện trường cao hơn nhiều so với cáp hạ thế nêncáp trung thế 24 kV bắt buộc phải có 2 lớp bán dẫn bên trong và bên ngoài lớp cáchđiện và phải có lớp màn chắn kim loại áp trực tiếp trên lớp bán dẫn bên ngoài Cấu

trúc từ trong ra ngoài, gồm: ruột dẫn điện/ lớp bán dẫn trong/ lớp cách điện/ lớp bán

dẫn ngoài/ lớp màn chắn kim loại là một cấu trúc liên tục và có tính bắt buộc đối với

cáp có cấp điện áp từ 12 kV trở lên Ngoài ra, tuỳ theo nhu cầu lắp đặt cáp có thể cóthêm các lớp áo giáp kim loại bảo vệ va đập hoặc có thêm đặc tính chống thấm nướccho ruột dẫn, màn chắn kim loại… Lớp cách điện của cáp trung thế là XLPE hoặc cao

su EPR nhưng XLPE là thông dụng nhất, vỏ bọc ngoài của cáp thông thường là PVCnhưng cũng có khi là PE.

Cáp ngầm trung thế được bọc 3 lớp đồng thời (lớp bán dẫn trong/ lớp cách điện/lớp bán dẫn ngoài) và khâu mạch liên tục trong môi trường khí nitơ trực tiếp trên dâychuyền sản xuất thì mới đảm bảo các đặc tính quan trọng về điện cho cáp Người ta gọicông nghệ của dây chuyền bọc 3 lớp đồng thời và khâu mạch liên tục này là “CCVLine”

Cáp ngầm trung thế thường có 3 lõi hoặc 1 lõi Đối với cáp 1 lõi, nếu có lớp áogiáp kim loại bảo vệ va đập thì lớp này không được sử dụng vật liệu có từ tính nhưbăng thép, sợi thép mà phải sử dụng kim loại phi từ tính và thông thường là băngnhôm hoặc sợi nhôm

Một số cấu trúc cáp ngầm trung thế 12/20/(24) kV:

– Loại 3 lõi: Cu/XLPE/PVC/DSTA/PVC hoặc Cu/XLPE/PVC/SWA/PVC– Loại 1 lõi: Cu/XLPE/PVC/DATA/PVC hoặc Cu/XLPE/PVC/AWA/PVC

2.2 Các loại tổn thất trong cáp ngầm

Hình 2.2 Các tổn thất trong cáp ngầm

Tổn thất công suất trong cáp ngầm xảy ra do nhiều nguyên nhân Chúng có thểđược gây ra bởi điện trở dẫn điện trên dây dẫn, do tổn thất điện môi, do tổn thất lớpbảo vệ và việc nối đất lớp bảo vệ Các nguyên nhân này làm cho cáp nóng lên, làmgiảm hiệu suất mang tải của cáp, làm tiêu hao một lượng điện năng đáng kể

2.2.1 Tổn thất điện môi

Như trên hình 1, cấu trúc cáp có cách điện hoạt động như là một tụ điện hình trụ

Hình 2.3 Cấu trúc dây dẫn - cách điện – lớp bảo vệ kim loại

Tổn thất này như là một điện môi sấy do thực tế không có bất kì cách điện nào

là hoàn hảo Các tổn thất này sinh ra vì trường điện từ động và tĩnh Trường điện từnày gây ra một sự định hướng và mất phương hướng lưỡng cực, tạo ra một sự ma sátbên trong đó làm nóng điện môi.

2.2.2 Tổn thất điện trở dây dẫn

Dây dẫn ở giữa thường được chế tạo từ đồng hoặc nhôm và nó có một điện trởkhông thể bỏ qua được.Với sự có mặt của dòng điện thì điện trở này sinh ra và làmnóng cáp lực Điện trở dây dẫn với dòng điện xoay chiều là cao hơn so với dòng điện

một chiều Tổn thất có thể được biểu diễn như sau: Theo tiêu chuẩn IEC 60287-1-1

RAC đơn vị là Ω/km

2.2.3 Tổn thất do lớp bảo vệ kim loại

2.2.3.1 Giới thiệu vệ lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm

đó lâu dần sợi cáp sẽ bị phóng điện gây hư hỏng hoàn toàn

Lớp bảo vệ kim loại này có thể được chế tạo từ các vật liệu khác nhau:

- Dây đồng bện: Được sử dụng chủ yếu cho các cáp hạ thế và một vài cáp truyền dẫn thông tin

- Băng đồng: Được sử dụng hầu hết các loại cáp trung và cao thế

- Băng nhôm

- Băng chì: Là vật liệu chặn nước, được lắp đặt trong một vài điều kiện đặc biệt như là ở dưới nước…

2.2.3.2 Các phơnng pháp ńi ất lớp bảo vệ kim loại

Trong một sợi cáp ngầm, thông thường các lớp bảo vệ kim loại được bọc bênngoài một lớp cách điện để ngăn ngừa sự xâm nhập của hơi ẩm, bảo vệ lõi dẫn điện từviệc có thể hư hại cơ khí, phục vụ như là một lá chắn tĩnh điện (Cường độ điện trườngđược khép kín giữa dây dẫn và lớp bảo vệ)

Tất cả dây dẫn đều mang theo dòng điện AC tạo ra một từ trường bên ngoài và

nó cảm ứng một điện áp đến tất cả các dây dẫn khác ở xung quanh mà được liên kếtbằng từ trường của chính nó Do đó một điện áp cảm ứng xuất hiện trên màn chắn kimloại Điện áp cảm ứng là cực đại ở mặt bên trong của võ và nhỏ nhất ở mặt bên ngoài.Điều này gây ra sự tuần hoàn của dòng điện xoáy trong lớp vỏ Các dòng điện này làmtiêu tán năng lượng vì hiệu ứng joule

Đối với các lý do an toàn, các lớp bảo vệ kim loại cáp phải được nối đất ít nhất

là một điểm dọc theo mạch cáp Khi lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm này là một đườngđiện kín, thì tổn hao do các dòng điện vòng trong lớp kim loại này sẽ làm tăng nhiệt độvận hành của cáp Do đó giảm giá trị dòng điện tải và hiệu suất vận hành của cáp.Ngược lại, nếu dòng điện bị gián đoạn thông qua việc sử dụng các kỹ thuật nối đất lớpbảo vệ kim loại, thì các dòng điện tuần hoàn sẽ được giảm bớt hoặc bị khử làm chodung lượng tải của cáp lớn hơn nhưng nhược điểm của việc này xuất hiện một điện áptrên lớp bảo vệ kim loại Do đó, việc bố trí nối đất màn chắn cáp được nghiên cứu đểgiới hạn độ lớn của điện áp cảm ứng trên màn chắn và các dòng điện tuần hoàn chạyqua là nhỏ nhất

Tiêu chuẩn IEEE 575-2014 hướng dẫn các phương pháp khác nhau về việc nốilớp bảo vệ Loại thông dụng nhất là việc nối đơn điểm, hai điểm và nối chéo

* Khi không nối đất màn chắn kim loại

Khi các đầu mút của màn chắn kim loại không được nối đất, thì xuất hiện điện

áp cảm ứng trên màn chắn Đây là một nguồn gốc của các nguy cơ mất an toàn và cóthể đánh thủng cách điện vỏ cáp

Hình 2.5 Lớp màn chắn kim loại không được nối đất

Hình 2.6 Việc nối đơn điểm

Phương pháp đơn giản nhất và hiệu quả nhất của việc nối lớp bảo vệ đặc biệt làviệc nối đơn điểm, mà nó có một đầu của mạch được nối đất và một đầu khác đượccách ly với đất Trong loại lắp đặt này, thì một điện áp được cảm ứng trên lớp bảo vệcủa cáp lực trong thời gian vận hành, điện áp này dần dần tăng lên từ điểm nối đất vàđạt cực đại tại điểm xa nhất từ đầu được nối đất Do đó các lớp bảo vệ phải được cách

ly tương ứng với đất bằng một lớp áo khoác cách điện có hiệu quả Từ đó không cóđường điện kín liên tiếp với các lớp bảo vệ kim loại, dòng điện sẽ không chạy dọc theo

các lớp bảo vệ và các tổn thất dòng điện tuần hoàn lớp bảo vệ do đó được giới hạn(Các tổn thất xoáy lớp bảo vệ vẫn sẽ xuất hiện).

Độ dài phần cáp lớn nhất là được chi phối bởi điện áp dừng lớp bảo vệ đượccho phép tại đầu được cách ly

Có thể lắp đặt một chống sét van nếu cho rằng mức điện áp đột biến vượt quá75% BIL của lớp vỏ hoặc của cách điện phân đoạn lớp bảo vệ

Có hai loại: Hệ thống được nối đơn điểm một phía và hệ thống được nối đơnđiểm tách rời

Hệ thống được nối đơn điểm một phía

Hình 2.7 Việc nối đất đơn điểm một phía

Các lớp màn chắn của phần cáp được nối lại và được nối đất tại một điểm chỉ dọc theo chiều dài của chúng Trong một hệ thống được nối đơn điểm, có một nguy cơ giật điện nếu một ai đó chạm vào lớp màn chắn tại đầu không được nối đất Điện áp cảm ứng này tỉ lệ với độ dài và dòng điện trong cáp Do đó việc nối đơn điểm có thể được sử dụng với chiều dài tuyến cáp bị giới hạn Với điện áp dừng tại đầu không được nối đất vượt quá 75% điện áp BIL của màn chắn, thì chống sét van được lắp đặt tại đầu không được nối đất để bảo vệ cách điện cáp dưới tình trạng sự cố Hệ thống được nối đơn điểm tách rời

Hình 2.8 Việc nối đất đơn điểm tách rời

- Nó cũng được gọi như là một hệ thống được nối đơn điểm kép

- Sự liên tiếp của màn chắn cáp được chia cắt tại điểm giữa và các SVL cần để lắp đặt tại mỗi phía của điểm cách ly

- Các yêu cầu khác là giống với hệ thống được nối đơn điểm

- Không có dòng điện tuần hoàn và điện áp bằng 0 tại đầu được nối đất, có điện áp dừng tại điểm phân đoạn

* Nối đất tại hai điểm

Khi hai đầu mút của màn chắn kim loại được nối đất, thì nó sẽ xuất hiện mộtdòng điện tuần hoàn võ Ip dọc theo màn chắn, mà nó quay trở lại giống như một mạchđiện ngầm dòng điện tuần hoàn Ip thường lớn hơn nhiều so với dòng điện xoáy Đo

đó dòng điện xoáy có thể được bỏ qua trong trường hợp màn chắn kim loại có hai đầuđều được nối đất Với việc đấu nối này, thì tổn thất dòng điện tuần hoàn lớp màn chắnkim loại sẽ xảy ra bởi vì có một dòng điện kín

Hình 2.9 Mặt cắt của cáp lực có lớp bảo vệ kim loại được nối đất tại hai đầu.

Dòng điện tuần hoàn màn chắn kim loại gây ra các ảnh hưởng:

- Tổn thất công suất trong cáp do việc phát nóng

- Làm giảm công suất trong cáp lực (dung lượng cáp) do các hiệu ứng nhiệt

- Gây ra một từ trường mà nó được thêm vào trong từ trường cáp Làm ảnh hưởng đến chất lượng cách điện cũng như các thành phần cấu tạo trong cáp

- Dòng điện tuần hoàn trong màn chắn tỉ lệ với dòng điện trong lõi và độ dài cáp và thích hợp cho các tuyến cáp dài hơn so với nối đất tại một điểm

* Nối qua một trở kháng

Hình 2.10 Sơ đồ nối lớp bảo vệ cáp ngầm qua một trở kháng

Với phương pháp này thì các phân đoạn lớp bảo vệ cáp được nối với nhauthông qua việc chèn thêm một trở kháng ở giữa Trở kháng này có thể bao gồm cáccuộn điện kháng đơn hoặc các thiết bị bộ điện kháng bão hòa Trong phương pháp nàythì chắc chắn dòng điện của lớp bảo vệ cho phép để giảm bớt tổn thất và các điện áptrên lớp bảo vệ

Mặc dù giảm bớt điện áp cảm ứng lớp bảo vệ với việc sử dụng phương phápnày, nhưng có một vài nhược điểm mà giới hạn để sử dụng phương pháp này Nguyêntắc nhược điểm của nó như sau:

- Yêu cầu thêm vào hầm nối

- Các thiết bị trở kháng tương đối đắt tiền và chúng phải được thiết kế để chịu đựng được dòng điện sự cố

- Trong chế độ vận hành bình thường, các sóng hài bậc 3 có thể được đưa vào bảo vệ và chúng có thể gây nên nhiễu trên các đường dây điện thoại xung quanh.

- Dòng điện trực tiếp rò từ đường đất có thể gây nên sự bão hòa của lõi sắt và làm cho việc vận hành các cuộn điện kháng hoặc máy biến áp sai lệnh

* Nối ch́o

Hình 2.11 Sơ đồ nối ch́o lớp bảo vệ cáp ngầm

Việc nối chéo của các lớp bảo vệ cáp đơn lõi được sử dụng cho nhiều năm trởlại Nhưng thực tế độ dài các phân đoạn là khác nhau nên vẫn có dòng điện tuần hoàn

Sơ đồ như trên hình

Hình 2.12 Sơ đồ nối ch́o lớp bảo vệ cáp ngầm không có hoán vị

Hình 2.13 Sơ đồ nối ch́o lớp bảo vệ cáp ngầm có hoán vị

Đối với việc nối chéo, độ dài cáp được phân chia ba phần xấp xỉ bằng nhau.Một phần của ba đoạn các từ trường xoay chiều cảm ứng một điện áp dịch chuyểnkhoảng 1200 trong màn chắn cáp, tổng của ba điện áp là không Phương pháp này chophép khả năng mang tải dòng cao như việc nối đơn điểm nhưng tuyến cáp dài hơn.Trong một số trường hợp cáp nên được hoán vị và màn chắn kim loại nên được nốichéo tại mỗi phân đoạn Đối với các đường dây cáp dài hơn hoặc khi điện áp màn chắnkim loại trở nên lớn vì các dòng điện sự cố rất cao thì việc nối chéo màn chắn thườngđược sử dụng Với việc ngày nay thì các lớp vỏ được làm mỏng hơn, một vài nghiêncứu được cho phép điện áp dừng lên đến 600V dưới tình trạng làm việc bình thườngthì việc nối chéo lớp bảo vệ cáp ngầm này thường áp dụng cho các hệ thống cáp cấptruyền tải.

Kết luận: Có tất cả 4 phương pháp chính để nối đất cho một hệ thống lớp bảo

vệ cáp ngầm

- Với phương pháp nối đất lớp bảo vệ qua một trở kháng thì phải yêu cầu thêm

về thi công hầm nối, thêm thiết bị trở kháng tương đối đắt tiền Do đó chúng được ápdụng cho hệ thống lưới điện truyền tải có điện áp ≥220kV (Theo tiêu chuẩn IEEE

575-2014)

Với phương pháp nối chéo lớp bảo vệ kim loại thì công nghệ phức tạp, đòi hỏiphải tính toán chi tiết tại mỗi điểm hoán vị, hơn nữa chi phí để thi công và lắp đặttương đối lớn nên thường được áp dụng trong hệ thống lưới điện có điện áp ≥110kV.(Theo tiêu chuẩn IEEE 575-2014)

2.2.3.3 Lựa chọn hệ th́ng ńi ất lớp bảo vệ

Yêu cầu chung

Trong tất cả các trường hợp, việc thiết kế nối đất lớp bảo vệ kim loại phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Phải luôn tồn tại việc nối đất lớp bảo vệ cho cáp ngầm

- Giới hạn điện áp màn chắn ổn định thông thường ở mức cho phép và an toàn

- Các tổn thất lớp bảo vệ được giới hạn hoặc giảm đáng kể

- Giới hạn quá điện áp tức thời ở mức cho phép khi kết hợp với các thiết bị bảo

vệ chống sét

Để đáp ứng các yêu cầu này, thì các kỹ thuật nối đất lớp bảo vệ kim loại được

sử dụng tính toán cho phù hợp Việc thiết kế và đánh giá các thành phần trong hệthống nối đất lớp bảo vệ được xác định trên cơ sở các hệ số: Đó là hệ số dòng điệntuần hoàn λ1 ’

và dòng điện xoáy λ1 ’’

Cảnh báo

Các điện áp nguy hiểm có thể xuất hiện trên phần lộ ra ngoài của lớp bảo vệkim loại của các cáp cao thế, bề mặt đầu ra của cáp, dây dẫn của các cáp nối … Phải

có sự ngăn ngừa phù hợp với an toàn vận hành để bảo vệ an toàn cho người và thiết bị

Theo tiêu chuẩn IEC 60287-1-1 để tính toán và lựa chọn các phương pháp nốiđất cho lớp bảo vệ màn chắn cáp thì ta tính toán theo các hệ số tổn thất đối với lớp bảo

vệ cáp ngầm được đưa ra như sau:

Hệ số tổn thất trong lớp bảo vệ λ1 bao gồm các tổn thất được gây ra bởi cácdòng điện tuần hoàn λ1 ’ và dòng điện xoáy λ1 ’’

Các tính toán giá trị điện trở lớp bảo vệ kim loại tại nhiệt độ vận hành lớn nhất.Nhiệt độ vận hành lớn nhất của lớp bảo vệ được đưa ra bởi:

Ө sc = ӨӨ –(I2R + 0,5Wd)T1 (oC)

Trong đó:

Ө sc Là nhiệt độ vận hành lớn nhất của lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm (oC)

Bởi vì nhiệt độ của lớp bảo vệ là một hàm của dòng điện I nên điện trở của lớp

vỏ hoặc màn chắn tại nhiệt độ làm việc lớn nhất:

Trong đó Rso là điện trở của cáp hoặc màn chắn tại nhiệt độ 20oC(Ω/m)

Điện trở suất và hệ số nhiệt độ được sử dụng cho việc tính toán điện trở của lớp

vỏ Rs được đưa ra theo tiêu chuẩn IEC 60287 trong bảng I

Qua phân tích ở trên, có nhiều phương pháp nối đất lớp bảo vệ kim loạicáp ngầm Tuy nhiên để lắp đặt vận hành cáp ngầm một cách hiệu quả thì cần phải xétđến nhiều yếu tố của cáp ngầm như: cấp điện áp, chiều dài cáp ngầm, địa hình lắp đặt,chi phí … Đối với lưới điện phân phối Thành phố Đà Nẵng, dòng mang tải các xuất

tuyến tương đối nhỏ ≤ 200A; chiều dài cáp ngầm ≤ 10km Vì vậy, trong phạm vi đề tàinày ta chỉ nghiên cứu tính toán so sánh hai phương pháp nối đất lớp bảo vệ kim loại đólà: Nối đất tại một điểm và nối đất tại hai điểm.

2.3 Kết luận

- Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm điện lực đến 36kV;

- Các loại tổn thất trong cáp ngầm: Tổn thất điện môi, Tổn thất điện trở dây dẫn, Tổn thất do lớp bảo vệ kim loại;

- Giới thiệu vệ lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm;

- Các phương pháp nối đất lớp bảo vệ kim loại cáp ngầm: Không nối đất; nốiđất tại một điểm về một phía; nối đất tại một điểm tách rời; nối đất hai điểm; nối đất quatrở kháng; nối đất chéo

- Theo tiêu chuẩn IEEE 575-2014 trình bày phương pháp lựa chọn hệ thống nối đất lớp bảo vệ

- Ứng dụng với hiện trạng lưới điện phân phối Thành phố Đà Nẵng để giới hạnphạm vi nghiên cứu khi so sánh hai phương pháp nối đất lớp bảo vệ kim loại cáp ngầmlà: nối đất tại một điểm về một phía và nối đất hai điểm

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP NỐI ĐẤT LỚP BẢO

VỆ KIM LOẠI CÁP NGẦM

Nghiên cứu đưa ra bằng cách tính toán cáp đơn pha và ba pha, lõi dẫn điện làm

từ dây đồng bện với tiết diện 240 mm2 cách điện bởi XLPE và được bọc bởi màn chắnbằng đồng, f=50 Hz, 24kV, Có các thông số như trong bảng I Các việc tính toán giátrị tổn thất theo tiêu chuẩn IEC 60287 và theo nhà chế tạo

Bảng 3.1 Cáp đồng 240 mm 2 với màn chắn đồng có các thông số

Các thông số cáp Cáp đơn pha Cáp ba pha

Đường kính của dây dẫn (mm) 17,485 17,485Đường kính cách điện XLPE của cáp (mm) 29,685 29,685Điện trở DC dây dẫn đồng tại 20oC (Ω/km) 0,0754

Điện trở suất dây dẫn đồng tại 20oC (Ω m) 1,7241 x 10-8

Điện trở suất màn chắn đồng tại 20oC Ω m 3,5 x 10-8

Hệ số nhiệt độ của dây dẫn đồng tại 20oC 3,93 x 10-3

Hệ số nhiệt độ của màn chắn đồng tại 20oC 3,0 x 10-3

Hệ số tổn hao cách điện tan δ 0,004

Độ từ thẩm tương đối cách điện XLPE ε 2,5

Dựa vào bảng thông số cáp lực điển hình ở trên ta sẽ tính toán và phân tích cácloại tổn thất trong việc vận hành cáp ngầm

3.1 Tổn thất phụ thuộc vào điện áp

Tổn thất phụ thuộc vào điện áp gây ra do ảnh hưởng bởi sự phân cực trong cáchđiện chính gọi là tổn thất điện môi

Tổn thất điện môi (chỉ áp dụng cho cáp mang dòng điện AC) phụ thuộc vàođiện áp và do đó chỉ là quan trọng tại mức điện áp liên quan đến vật liệu và cách điệnđược sử dụng Theo tiêu chuẩn IEC 60287 bảng 3 đưa ra các giá trị đối với các vật liệucách điện được sử dụng chung, giá trị của Uo mà tại đó tổn thất điện môi được thựchiện tính toán cho trường hợp các sợi cáp 3 lõi có màn chắn hoặc cáp đơn lõi Sẽkhông cần thiết để tính toán tổn thất điện môi đối với các cáp nhiều lõi không có mànchắn hoặc các cáp ngầm vận hành điện áp DC

Tổn thất điện môi trên mỗi đơn vị dài của mỗi pha được đưa ra bởi công thức:

ε Là độ từ thẩm tương đối của cách điện;

Di là đường kính của cách điện XLPE (mm);

dc Là đường kính của dây dẫn bên trong (mm)

Các giá trị của ε được đưa ra trong bảng 3 tiêu chuẩn IEC 60287

Qua dữ liệu của các loại cáp được đưa ra trong bảng I, thì ta thấy rằng: Nếu chỉxét đến tổn thất điện dung thì không có sự khác nhau giữa cáp đơn pha và cáp ba pha.Theo công thức tính toán ta nhận được các số liệu như sau:

Bảng 3.2 Tổn thất điện môi cáp ngầm đối với cáp M(3x240) & 3M(1x240)

Điện dung tính cho 1 pha (F/m) 0,2624 x 10-9 0,2624 x 10-9Tổng tổn thất điện môi (W/m) 0,159 0,159

Lượng điện do tổn hao điện môi (kWh)/1 năm 383.086,7 277.186,3

Vậy, với cùng một điện áp và tần số nguồn thì tổn thất điện môi chỉ phụ thuộcchủ yếu vào vật liệu cách điện Nếu vật liệu cách điện bằng XLPE thì có tan δ = 0,004còn với PVC có tan δ = 0,1 thì tổn thất điện môi có cách điện bằng XLPE sẽ bé hơn rấtnhiều

Cũng chính vì một trong những lí do này nên, hiện nay gần như tất cả các loạicáp ngầm có cách điện ruột dẫn đều làm bằng LXPE

Các tổn hao do điện môi của cáp ngầm là không thể làm giảm được, chính vì thếtrong việc thiết kế tính toán ngoài các yếu tố về chi phí, môi trường, kỹ thuật thì taphải quan tâm thêm đến tổn thất điện môi sinh ra trong cáp ngầm

3.2.Tổn thất phụ thuộc vào dòng điện

Tổn thất phụ thuộc vào dòng điện bao gồm các tổn thất sau: Tổn thất do điện trởdây dẫn; tổn thất trong lớp bảo vệ kim loại

3.2.1 Tổn thất do điện trở dây dẫn

Điện trở AC trên mỗi đơn vị dài của dây dẫn tại nhiệt độ làm việc cực đại đượcđưa ra bởi công thức sau:

R = R’(1+ ys + yp)

Trong đó:

R Là điện trở của dây dẫn tại nhiệt độ vận hành lớn nhất (Ω/m);

R’ Là điện trở DC của dây dẫn tại nhiệt độ vận hành lớn nhất (Ω/m);

ys Là hệ số ảnh hưởng bề mặt

yp Là hệ số ảnh hưởng lân cận

3.2.1.1 Điện trở DC của dây dẫn

Điện trở DC trên mỗi đơn vị dài của dây dẫn tại nhiệt độ vận hành lớn nhất θ là:R’ = Ro [1 + α20 (θ – 20)]

Trong đó:

Ro là điện trở DC của dây dẫn tại 20oC (Ω/m);

Giá trị của Ro sẽ được đưa ra trực tiếp từ IEC 60228 Trường hợp kích thướcdây dẫn là ngoài phạm vi được đưa ra bởi IEC 60228 thì giá trị Ro được chọn bởi sựthỏa thuận giữa nhà sản xuất và người mua Điện trở dây dẫn được tính toán sử dụngcác giá trị của điện trở suất theo tiêu chuẩn IEC 60287 bảng 1

α20 Là hằng số nhiệt độ tại 20oC (Xem bảng 1 tiêu chuẩn IEC 60287 cho các giátrị tiêu chuẩn)

θ Là nhiệt độ vận hành lớn nhất oC (Điều này sẽ được xác định bằng loại cách điện được sử dụng) Xem tiêu chuẩn quốc gia và IEC cho thích hợp

Hệ số ảnh hưởng lân cận được đưa ra bởi công thức:

Trong đó:

dc là đường kính của dây dẫn (mm);

S là khoảng cách giữa các trục dây dẫn (mm)

Các giá trị của kp được đưa ra trong bảng 2

Công thức trên là phù hợp đưa ra giá trị xp không vượt quá 2,8 và do đó được ápdụng cho phần lớn các trường hợp thực tế

b Hệ số ảnh hưởng lân cận yp đối với các cáp ba lõi và đối với các cáp ba lõi đơn *Các cáp dây dẫn xoắn tròn

Hệ số ảnh hưởng lân cận được đưa ra bởi công thức:

Trong đó:

dc là đường kính của dây dẫn (mm);

S là khoảng cách giữa các trục dây dẫn (mm)

Đối với các cáp dạng phẳng, S là khoảng cách giữa các pha ở gần Trường hợp khoảng cách giữa các pha ở gần không bằng nhau, thì khoảng cách sẽ được đưa ra

bằng công thức

Các giá trị của kp được đưa ra trong bảng 2

Công thức trên là phù hợp đưa ra giá trị xp không vượt quá 2,8 và do đó được ápdụng cho phần lớn các trường hợp thực tế

Trong trường hợp các cáp nhiều lõi với các dây dẫn định hình, giá trị của yp sẽ

là 2/3 của giá trị được tính toán theo 3.2.1.3,

Với:

dc = dx = đường kính của một dây dẫn tròn tương đương với tiết diện mặt cắt ngang, và độ nén (mm);

S = (dx + t) (mm),

Trong đó:

t là độ dày của cách điện giữa các dây dẫn (mm)

Các giá trị của kp được đưa ra trong bảng 2

Công thức trên là phù hợp đưa ra giá trị xp không vượt quá 2,8 và do đó được

áp dụng cho phần lớn các trường hợp thực tế

Nghiên cứu được đưa ra bằng cách so sánh hai loại cáp đồng M(3x240) và cápnhôm A(3x240) sợi bện, có cách điện với ruột dẫn là XLPE, ta có các giá trị tính toán

như Bảng 3.3.

Nhiệt độ vận hành lớn nhất với cách điện XLPE θ (oC): 90

Đường kính của dây dẫn dc (mm): 17,485

Khoảng cách giữa các trục dây dẫn S (mm): 38,3

Bảng 3.3 So sánh các giá trị tổn thất do dòng điện AC với cáp nhôm và đồng

Qua tính toán dữ liệu như trên bảng ta thấy rằng:

Dây dẫn bằng nhôm luôn có tổn thất điện trở AC lớn hơn dây đồng khoảng30% - 40% Đặc biệt với các cáp ba pha, khi các pha đặt càng gần nhau thì hệ số ảnh

hưởng lân cận y p càng lớn, làm cho tổn thất do điện trở cũng tăng lên Do đó, trongviệc tính chọn, thiết kế hệ thống cáp ngầm cũng phải lưu ý đến điều này

3.2.2 Tổn thất lớp bảo vệ kim loại

Gây ra do dòng điện tuần hoàn trong lớp bảo vệ kim loại Tổn thất này làmgiảm bớt hiệu suất truyền tải của cáp, gây ra một lượng tổn thất điện năng đáng kể cho

hệ thống

Với phạm vi nghiên cứu là lưới điện phân phối thành phố Đà Nẵng có điện áp

U ≤ 22kV, Do đó ở đây ta chỉ nghiên cứu để so sánh 2 phương pháp nối đất lớp bảo vệcáp ngầm: Nối đất tại một điểm và nối đất tại hai điểm lớp bảo vệ

3.2.2.1 Nối đất hai đầu lớp bảo vệ

Như trên hình, sẽ xuất hiện một dòng điện tuần hoàn chạy trong lớp bảo vệ kimloại, sau đây ta sẽ nghiên cứu tổn thất do dòng điện này gây ra

Hình 3.1 Dòng tuần hoàn trong lớp bảo vệ cáp ngầm

a Các cáp ngầm hai lõi ânn và ba lõi ânn (Dạng hình lá) có lớp bảo vệ âơợc ńi ất tại hai âầu

Với loại này, hệ số tổn thất được đưa ra bởi:

=0, Tổn thất dòng điện xoáy được bỏ qua

b Các cáp ngầm ba lõi ânn với dạng phẳng, với sự hoán vị âều, các lớp bảo vệ âơợc ńi tại hai âiểm của một phân âoạn âiện

Trong trường hợp này thì hệ số tổn thất được đưa ra bởi công thức:

Trong đó:

X1: Là điện kháng trên mỗi đơn vị dài của lớp vỏ (Ω/m)

λ1 ’’

= 0, Tổn thất dòng điện xoáy được bỏ qua

c ba sợi cáp ânn lõi dạng phẳng, không có hoán vị, các lớp vỏ âơợc ńi tại hai âiểm của một phân âoạn âiện

Đối với ba cáp đơn lõi dạng phẳng thì cáp ở giữa cách đều từ vỏ ngoài, không

có hoán vị, các lớp bảo vệ kim loại được nối tại hai điểm của một phân đoạn điện, hệ

số tổn thất của cáp là lớn nhất (Các sợi cáp bên ngoài mang pha trễ)

Đối với sợi cáp ở giữa, hệ số tổn thất được đưa ra bởi công thức:

Đối với sợi cáp bên ngoài, hệ số tổn thất được đưa ra bởi công thức:

Trong công thức này:

λ1 ’’

=0, Tổn thất dòng điện xoáy được bỏ qua

d Sự thay âổi khoảng cách của các sợi cáp ânn lõi trong việc ńi ất hai âiểm của lớp bảo vệ kim loại

Không thể luôn luôn có một giá trị khoảng cách cố định dọc theo một tuyếncáp Các khuyến cáo sau đây liên quan đến sự tính toán các tổn thất dòng điện tuầnhoàn của lớp vỏ khi không thể lắp đặt các cáp với một giá trị hằng số của khoảng cáchtrên toàn chiều dài của một phân đoạn điện