CÁCH điện của ĐƯỜNG dây CAO áp

Giới thiệu chungCáp là dẫn điện mềm đ ợc bọc cách điện cáp và bọc vỏ kim loại để ngăn chặn các tác dụng bên ngoài đối với cách điện nh chênh lệch nhiệt độ cao, ngâm trong n ớc.... Cấu

NG D Y CAO P ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP ÂY CAO ÁP ÁP

Giới thiệu chung

Cáp là dẫn điện mềm đ ợc bọc cách điện cáp và bọc vỏ kim loại để ngăn chặn các tác dụng bên ngoài đối với cách điện nh chênh lệch nhiệt độ cao, ngâm trong n ớc

Chúng phải chịu sự thay đổi nhiệt độ lớn do dòng điện làm việc và điều kiện nhiệt độ môi tr ờng

Trong những vùng th ờng bị động đất hoặc khi lắp đặt cáp trên những cây cầu, cáp và các

đầu đấu nối phải có độ bền với dao động

Đối với cáp chôn ngầm d ới đất, con ng ời có thể gây h hỏng cáp khi đào bới Khi đã đ ợc lắp

đặt xong, cáp phải vận hành tin cậy trong nhiều thập niên

Cáp điện khác các đ ờng dây trên không bởi lớp cách điện, nơi mà ta có thể kiểm soát các thông số của chúng

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 th ờng sử dụng bàng chì hoặc nhôm có nhiệm vụ bảo vệ lõi và cách điện đối với các tác dụng bên ngoài, mà tr ớc hết là độ ẩm và các tác động cơ giới

Lớp bảo vệ là một vỏ bọc bằng sợi thép hoặc băng thép, một lớp sợi đay tẩm bi tum Vỏ bọc còn có tác dụng làm cho điện tr ờng phân bố đều hơn và các đặc tính của cáp không phụ thuộc vào cách thức lắp đặt

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

đay bảo vệ vỏ bọc chống ăn mòn.

Cách điện của cáp phải gánh chịu toàn bộ trọng l ợng của dây dẫn (lõi) hoặc các ứng lực do uốn cáp khi cuộn cáp hoặc lắp đặt

Vì thế cách điện của cáp yêu cầu phải có độ chịu uốn và độ bền cơ giới cần thiết Vật liệu cách điện dùng trong cáp phải là vật liệu có phẩm chất tốt (độ bền cách điện cao) để giảm kích th ớc của cáp đồng thời còn phải có đủ độ bền cơ giới trong phạm vi nhiệt độ biến thiên t

ơng 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 đ ờng cáp cao áp th ờng lắp đặt ngầm nên có các yêu cầu rất cao về độ tin cậy làm việc (vì việc tìm kiếm các điểm sự cố và khắc phục chúng tốn nhiều thời gian và công sức)

Cũng cần nhấn mạnh rắng các đ ờng cáp cao áp th ờng lắp đặt từ nhiều đoạn khác nhau (chiều dài mỗi cuộn cáp từ 250 - 1000 m) nối với nhau bởi những đầunối cáp, mà những điểm nối này (măng sông) đ ợc thực hiện tại hiện tr ờng, công nghệ của chúng th ờng kém hơn nhiều so với nếu thực hiện trong nhà máy chế tạo cáp

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

Loại cáp tẩm dầu : vật liệu cách điện chủ yếu là giấy cáp đ ợc tẩm dấu Dầu tẩm là

loại chất lóng cách điện có nguồn gốc từ dầu mỏ pha nhựa thông để tăng độ nhớt và ngăn chặn quá trình oxy hoá

Loại cáp đổ dầu : Vật liệu cách điện ngoài giấy cáp có có dầu cáp có thể l u thông

suốt dọc theo chiều dài cáp

Loại cáp chứa khí nén : Lõi cáp sau mỗi pha khi bọc cách điện (giấy cáp) và bọc vỏ

chì sẽ đ ợc đặt trong ống thép chứa khí nén

Cáp siêu dẫn : T ơng tự nh cáp đổ dầu goặc cáp chứa khí nén còn có chất làm

lạnh ở nhiệt độ rất thấp (nitơ hoặc không khí hoá lỏng), vật liệu làm lõi cáp là nhứng vật liệu siêu dẫn

Cáp khô dùng vật liệu cách điện là polyethylene mạch vòng (XLPE)

Theo nhiệm vụ, cáp đ ợc chia thành các loại sau đây :

Trong phạm vi ch ơng này chúng ta chỉ quan tâm đến loại cáp truyền tải cao áp Cáp có thể lắp đặt theo :

Cáp chôn ngầm d ới đất

Cáp đi ngầm d ới biển, ao hồ

Cáp đặt trên mắt đất hoặc treo v ợt sông)

Cáp cách điện giấy tẩm dầu đ ợc đ a vào sử dụng từ những năm 30 của thế kỷ XX trong các môi tr ờng rất khác nhau : chôn ngầm, đ ờng hầm, giếng sau ở các mỏ.

Đối với cấp điện áp 35 kV trở xuống cáp, loại cáp giấy tẩm dầu đ ợc sử dụng rộng rãi trong

đó cách điện là loại giấy tẩm dầu pha nhựa thông hoặc hợp chất không chảy có độ nhớt cao

Loại cáp tẩm dầu có u điểm so với loại cáp đổ dầu là ở các đầu nối cáp chất tẩm không bị

rỉ ra ngoài do đó không tạo nên các khoảng trống bên trong Cáp tẩm bằng loại hỗn hợp không chảy có thể lắp đặt với chênh lệch độ cao giữa hai đầu cáp đến 300 m mà không tạo nên nguy hiểm chảy chất tẩm xuống đầu phía thấp và không xuất hiện khoảng trống cách

điện không đợc tẩm ở đầu phía cao

Nh ợc điểm chủ yếu của loại cáp tẩm dầu nhớt là sự xuất hiện các bọc khí bên trong cáp

ảnh h ởng xấu đến cách điện Một trong những nguyên nhân gây nên hiện t ợng này là chu trình đốt nóng và nguội đi của cáp khi làm việc với phụ tải thay đổi th ờng xuyên Nguyên nhân hình thành các bọc khí là do hệ số giãn nở nhiệt của cách điện khác với của vỏ chì, khi phụ tải tăng, cáp bị phát nóng mạnh, vỏ chì bị căng phồng ra, khi phụ tải giảm cáp

nguội đi, vỏ co lại ít hơn so với cách điện do đó hình thành các lỗ trống chứa đầy khí thoát

Cáp tẩm dầu

Loại cáp tẩm dầu có thể chế tạo loại một lõi, ba lõi và bốn lỗi Trên hình vẽ sau cho mặt cắt của cáp tẩm dầu ba lõi điện áp 6 kV Lõi có dạng hình rẻ quạt đẻ giảm đ ờng kính ngoài của cáp Cách điện pha là băng giấy cáp rộng 10-30 mm dày 20-120 m cuốn quanh dây dẫn sao cho khoảng cách giữa các mép giấy khoảng 1,5-3,5 m để khi uốn cáp băng giấy không bị h hại Nh vậy khe dầu giữa các mép băng giấy là những điểm cách điện yếu nên khi cuốn cần chú ý là không để cho khe dầu của các lớp giấy trùng lên nhau

Cáp 3 pha lõi hình rẻ quạt :

l- Lõi; 2- Cách điện pha;

Khi cuốn xong, cách điện pha đ ợc sấy trong chân không ở nhiệt độ 120 - 135oC để khử ẩm

và sau đó đ ợc tẩm dầu cũng trong chân không

Đặc tính cách điện của giấy dầu và giấy đã đ ợc tẩm dầu

Vật liệu cách điện C ờng độ cách điện 1 phút,

Có thể nhận thấy, khi giấy đã đ ợc tẩm dầu thì cách lên đ ợc cải thiện rất nhiều

Đáng tiếc là c ờng độ cách điện của loại này lại giảm rất nhanh theo thời gian tác dạng của

điện áp mà nguyên nhân chủ yếu là do sự hình thành các bọt khí (quá trình ion hóa các bọt khí ở gần lõi có thể xảy ngay cả khi điện áp không lớn lắm so với điện áp làm việc)

Quan hệ của điện áp chọc thủng của cáp theo thời gian tác dụng của điện

áp : 1- cáp tẩm dầu;

2 - cáp đổ dầu

phóng điện và sự biến dạng của tr ờng Hình thức phóng điện tỏa nhánh là một đặc điểm của

phóng điện trong cáp, đ ờng phóng điện có thể dài hàng mét

Quá trình phóng điện trong cáp tẩm dầu.

a) Ion hoá trong khe dầu đầu tiên; b) Hình thành khe dẫn điện trong lớp giấy thứ hai;

c) Hình thành khe dẫn điện trong lớp giấy thứ hai;

d) Khe dẫn điện làm biến dạng điện tr ờng, nguyên nhân phóng điện toả nhánh theo bề mặt lớp giấy.

Sự phân bố điện tr ờng trong cáp ba lõi không hòan toàn xuyên tâm, tạo nên thành phần tr ờng theo bề mặt đã làm yếu khả năng cách điện của cáp Do đó đối với cáp 20 và 35 kV, mỗi pha

đều dùng vỏ chì rìêng hoặc có màn che chắn.Trong hai loại này lõl còn đ ợc bọc lớp giấy tráng kim loại nên khử đ ợc sự tăng cục bộ của điện tr ờng trên bề mặt dây xoắn

a) Ba lõi dùng chung vỏ chì;

b) Mỗi pha dùng vỏ chì riêng :

1- Dây dẫn; , 2- Cách điện; 3- Vỏ chì từng pha; 4- Độn chãt dêo; 5-Lớp giấy bọc; 6 Đai dùng hai lớp dây thêp; c) Môi pha có màn che kim loai riêng : 1- Dây dẫn; , 2- Cách

điện; 3- Đai bằng lá đồng mỏng; 4- Lớp giấy trung gian; 4- Độn giữa các pha; 6- Đai kim loại có nối với màn che kim loại; 7 - Vỏ chì từng pha

Khi dùng vỏ chì rìêng do tr ờng phân bố xuyên tâm nên có thể tăng c ờng độ tr ờng làm việc của cách điện cao hơn hai lần so với khi dùng chung vỏ chì, đồng thời do điều klện tản nhiệt đ ợc cải thiện nên khả năng chuyên tải công suất tốt hơn

Độ dày cách điện và c ờng độ điện tr ờng làm việc của cáp tẩm dầu

Điện áp định mức, kV Độ dày cách điện, mm C ờng độ tr ờng cực đại cho phép ,kV/mm

-Khi dùng ở điện áp một chiều, các đặc tính đíện của loại cáp tẩm dầu tốt hơn nhiều vl khòng

có khả năng hình thành phông điện tỏa nhánh Các bọt khi ở gần lõi cặp cũng bị ion hóa nh ng các ion đ ợc tạo nên sẽ lbám trên vách bọt khí làm giảm tr ờng ngoài, do đó hạn chế quá trình ion hóa phát triển Chỉ khi các ion ềay chuyển dịch hết về các điện cực khác dấu thì mới tiếp tục có quá trình ion hóa mới Sự chuyển dịch này rất chậm vì điện dẫn của các lớp cách điện bé do đó khả năng hình thành phóng điện toả nhánh bị hạn chế và thực tế không xảy ra Mặt khác do điện áp phân bố theo điện dẫn nên giấy cáchd điện tốt hơn sẽ phải chịu c ờng độ tr ờng lớn, còn trong màng dầu tr ờng giảm thấp Điều đó cho phép nâng cao c ờng độ tr ờng làm việc tới mức 25 - 30 kV/mm nghĩa là gấp 5 lần so với của cáp xoay chiều

8 7

MÆt c¾t cña c¸p mét lâi ®iÖn ¸p 220 kV, c¸ch ®iÖn giÊy dÇu : – dÇu :

Do nh ợc 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 th ờng bị cháy dầu nên loại cáp XLPE đ ợc sử dụng càng ngày càng nhiều

Cáp đổ dầu dùng ở điện áp cao (110 kV trở lên) và th ờng chỉ có một lõi.

Trong loại cáp này dầu có áp suất cao sẽ chảy dọc theo đ ờng cáp để lấp kín các bọt khí đ ợc hình thành trong thời gian của các chu trình nhịêt

Tăng áp suất dầu cong có mục đích tăng tăng khả năng cách điện của dầu và giảm kích th ớc của cáp

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

Đa số các loại cáp đổ dầu đều có áp suất 3 - 5 at, nên c ờng độ tr ờng xoay chiều có thể đạt tới

6-8 kV/mm, gấp gần ba lần so với loại cáp tẩm dầu điện áp 20 - 35 kV

Nếu tăng áp suất lên 10 - 15 at thì c ờng độ tr ờng cho phép có fhể 10 - 15 kV/mm nh ng kết cấu rất phức tạp và phải tăng c ờng bằng những đai lớn

Cáp đổ dầu

cấu tạo của cáp đổ dầu 220 kV áp suất trung bình, lõi cáp rỗng để cho dầu (áp suất 3at) có thể chuyển dịch tự do dọc theo đ ờng cáp và thấm vào cách điện qua các lỗ nhỏ của lõi

Cấu tạo cáp đổ dầu 220 kV : 1- Khe dầu;

Trong các loại cáp đổ dầu cao áp điện áp 110-220 kV đặc biệt phải chú trọng vấn đề điều chỉnh

phân bố điện tr ờng Tr ớc hết các lõi cáp đ ợc chế tạo từ các dây dẫn có tiết diện đặc biệt, không phải bằng dây dẫn tròn nh đối với loại cáp d ới 35 kV Do đó bề mặt của lõi cáp bảng biện pháp này trở nên nhẵn hơn Ngoài ra lõi cáp còn phải đ ợc bọc bởi một lớp giấy phủ chất bán dẫn điện để tránh tạo thành những điển điện tr ờng tăng cục bộ trên bề mặt lõi

loại cáp đổ dầu điện áp 110 - 150 kV th ờng là loại cáp áp suất cao 3 pha đặt trong ống kim

trình vận chuyển và lắp đặt

Khi cáp bị nóng thì áp suất dầu trong cáp tăng, dầu sẽ chảy vào bình l ợn sóng và lúc này bình đ ợc dãn nở Khi cáp nguội lạnh, dầu sẽ chảy ng ợc vào cáp Hộp phân chia có tác dụng chia cáp ra nhiều đoạn khiến dầu không thể l u thông với nhau Khoảng cách giữa các vị trí đặt thùng áp lực và hộp phân chia đ ợc chọn sao cho biến đổi của áp suất ở khoảng giữa của đoạn cáp không v ợt quá giới hạn cho phép

Hiện t ợng rò dầu là một sự cố nghiêm trọng của loại cáp này, vì vậy dọc theo đ ờng cáp phải

đặt các đồng hồ đo và báo hiệu tự động để th ờng xuyên theo dõi tình trạng áp suât của đầu

Trong cáp đổ dầu xác suất hình thành bọt khi rất bé và nếu có bọt khi thì do áp suất llớn nên quá trình ion hóa chỉ có để xảy ra khi c ờng độ tr ờng lớn hơn nhiều so với c ờng độ tr ờng làm việc Hình thức phóng điện chủ yếu trong loại cáp đổ dầu là phóng điện do nhiệt, xảy ra khi nhiệt l ợng sinh ra bởi tổn hao điện môi v ợt quá nhiệt l ợng đ ợc tản ra ngoài Vì vậy vật liệu dùng trong cáp phải có tổn hao điện môi bé và trong quá trình chế tạo cần đo nhiều lần về trị số tg

u điểm của loại cáp đặt trong đ ờng ống kim loại là đơn giản đ ợc kết cấu của lớp vỏ bọc chịu áp lực Tuy nhiên nó lại làm tăng khối l ợng công việc khi lắp đặt cáp (hàn đ ờng ống, tấy vết hàn, phủ lớp bọc chống ăn mòn) và đặc biệt tăng đáng kể l ợng dầu và hệ thống đảm bảo áp suất dầu phức tạp hơn

Loại chứa khí nitơ có cấu tạo t ơng tự nh loại cáp đổ dầu

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

và chỉ bị ion hóa khi c ờng độ tr ờng lơn Th ờng khi nitơ đ ợc nén tới áp suất k khoảng 12 - 15

at Với áp suất này cho phép tăng c ờng độ tr ờng làm việc tới 12 - 15 kV/mm

Hiện nay loại khi SF6 là những loại khí có kllả năng cách điện cao hơn nhiều so với không khí cũng đ ợc sử dụng Độ bền điện của khí SF6 ở điều kiện bình th ờng vào khoảng 10 kV/mm tức là lớn hơn của không khí khoảng 3 lần

Loại cáp này đặt trong ống thép hai lớp đồng trục Lõi cáp đ ợc cố định vào ống thép bằng cách

điện đỡ Việc gĩ áp suất đ ợc thực hiện bằng các bình khí nén có van tự động, điều khiển bởi tiếp

Loại cáp khô dùng cách điện XLPE (polyethylen mạch vòng) dùng cho mục đích truyền tải đ

ợc nghiên cứ vào những năm 60 của thế kỷ XX

Loại cáp này gồm lõi cáp bằng đồng hoặc nhôm bện với cách điện ép và đ ợc bảo vệ bởi lớp

vỏ kim loịa và lớp bọc chống ăn mòn

Cáp cách điện khô

1

4 3 2

Đối với loại cáp sử dụng d ới n ớc (cáp v ợt biển) còn có thêm một lớp vỏ chì và lớp bọc bên ngoài bằng l ới thép.

Loại cáp XLPE dùng chủ yếu là để chôn ngầm d ới đất, và nó đang dần thay thế loại cáp giấy tẩm dầu truyền thống do có những u điểm v ợt trội :

Mềm dẻo, nhẹ và bền vững

Không cần hệ thống duy trì áp suất của chất lỏng

Bảo d ỡng nhanh hơn so với loại cáp tẩm dầu

Phụ kiện đơn giản hơn

a) Lõi cáp

Các lõi cáp có tiết diện lớn hơn1000 mm2, đ ợc chế tạo bằng các thang dẫn hình rẻ quạt

để giảm điện trở đối với dòng điện xoay chiều và hiệu ứng vỏ Lõi cáp bằng nhôm cũng đ ợc

sử dụng rông rãi trong các l ới điện truyền tải Nhôm có khối l ợng chỏi bằng một phần ba khối l ơng của đồng nh ng có thể truyền tải l ợng công suất lớn gấp đôi đồng cùng trọng l ợng

Tăng c ờng độ điện tr ờng làm việc của cáp đòi hỏi phải có cách điện chất l ợng rất cao Do

đó yêu cầu các vật liệu sử dụng cho loại cáp cách điện chất dẻo phải đặc biệt tinh khiết

Đảm bảo độ sạch phải đ ợc chú trọng ngay từ khâu sản xuất vật liệu thô

c) 220 kV c¸ch ®iÖn XLPE 2000 mm2;

d) 400 kV c¸ch ®iÖn XLPE 800

mm2

Đối với điện áp đặc biệt cao 420 kV sử dụng hai loại cáp :

Cáp cách điện PPLP : cách điện của loại cáp này thực hiện bằng băng ba lớp giấy và

điện ba lớp gồm một lớp polỷpopylen giữa hai loáp giấy cáp Polypropylen (PP) cải thiện chất l ợng cách điện, còn giấy đảm bảo l u thông dầu giữa các lớp So với loại cách điện giấy tẩm dầu, PPLP

có điện áp phóng điện cao hơn, đặc biệt có tổn hao điện môi bé hơn

Loại cách điện này xuất hiện vào những năm 80 của thế kỹ XX đ ợc dùng cách điện cho loại cáp

từ 400 kV trở lên do giá thành cao hơn loại cách điện giấy tẩm dầu Mặt khác loại cáp cách điện XLPE đ ợc dùng cáng ngáy càng nhiều cho loại cáp điện áp từ 220 đến 400 kV

Triển vọng của loại cáp cao áp nhiệt độ thấp : cáp hyper-conducteur và cáp siêu dẫn

Kỹ thuật này dựa trên đặc tính vật lý của vật liệu ở nhiệt độ rất thấp Ng ời ta phân loại :

hyperconductivity : điện trở suất của một số vật liệu dẫn điện rất tinh khiết (đồng, nhôm) giảm nhanh khi nhiệt độ giảm (nh ng khác không ở nhiệt độ không tuyệt đối)

Siêu dẫn : điện trở suất của một số vật liệu đặc biệt giảm đột ngột xuống không khi nhiệt độ

đạt tới ng ờng TC (nhiệt độ Curie)

Cáp hyperconductor

Cáp hyperconductor ba pha gồm 4 ống bằng đồng hoặc nhôm, nitơ lỏng hoặc hydro (<70 K) l u thông trong ba ống bên trong (dây dẫn pha) Mỗi lõi đ ợc bọc một lớp cách điện và mànn che để cân bằng

điện tr ờng