Nghiên cứu ảnh hưởng của các phương pháp nối đất vỏ cáp đơn pha tới điện áp và dòng điện cảm ứng trên vỏ cáp điện

Các hằng số vật lý và hoá học chính của nhôm Bảng 4: Cấp cách điện và chủng loại vật liệu Bảng 5: ứng dụng vật liệu cách điện trong điện công nghiệp Bảng 6: Đặc tính của các loại nhự a t

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

- oOo -

DƯƠNG QUANG VINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP NỐI ĐẤT

VỎ CÁP ĐƠN PHA TỚI ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG

TRÊN VỎ CÁP ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

HÀ NỘI 2011

Mẫu 2

LÝ LỊCH KHOA HỌC

(Dùng cho học viên cao học)

I Sơ lược lý lịch:

Họ và tên: DƯƠNG QUANG VINH …… Giới tính: NAM

Sinh ngày: 16 .tháng 08 năm 1983

Nơi sinh(Tỉnh mới): HÀ NỘI

Quê quán: XÃ ĐỒNG LÝ - HUYỆN LÝ NHÂN – HÀ NAM

Chức vụ: NHÂN VIÊN

Đơn vị công tác: CÔNG TY ĐIỆN LỰC CẦU GIẤY

TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC THÀNH PHỐ HÀ NỘI

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: PHÒNG 8 DÃY 42 - PHƯỜNG BÁCH KHOA

– HAI BÀ TRƯNG – HÀ NỘI

Điện thoại CQ: 0422101999 Điện thoại NR: 0438680231 Điện thoại di động: 0975756986 Fax: 0437683215 E-mail: duongquangvinh@gmail.com

II Quá trình đào tạo:

1 Trung học chuyên nghiệp (hoặc cao đẳng):

- Hệ đào tạo(Chính quy, tại chức, chuyên tu) ….… Thời gian đào tạo: từ / đến ……

- Trường đào tạo …… ………

- Ngành học: ………… Bằng tốt nghiệp đạt loại …

2 Đại học:

- Hệ đào tạo … CHÍNH QUY Thời gian đào tạo: từ .10 /.2001 …đến 06 /.2006

- Trường đào tạo ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI …

- Ngành học: HỆ THỐNG ĐIỆN……… Bằng tốt nghiệp đạt loại KHÁ

3 Thạc sĩ:

- Hệ đào tạo: CHÍNH QUY Thời gian đào tạo: từ 2008 đến 2010

- Chuyên ngành học: HỆ THỐNG ĐIỆN

- Tên luận văn: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP NỐI ĐẤT VỎ

CÁP ĐƠN PHA TỚI ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG TRÊN VỎ CÁP ĐIỆN

- Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

ảnh 4x6

4 Trình độ ngoại ngữ (Biết ngoại ngữ gì, mức độ nào): TIẾNG ANH - C

III Quá trình công tác chuyên môn kể từ khi tốt nghiệp đại học:

TNHH KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG (ENTEC)

Nhân viên

lưới điện – Công ty Điện lực Cầu Giấy

Nhân viên

Điện lực Cầu Giấy

Kiểm tra viên Điện lực

V Các công trình khoa học đã công bố: Không

Tôi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật

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

Phân loại nhựa theo

bản chất lý hoá của

chúng

Tên nhựa Tỷ trọng

g/cm 3

Giới hạn bền kéo, kG/cm 2

Độ dãn dài tương

đối khi kéo đứt,

%

Độ chịu nóng, o C

Nhiệt dẫn suất, W/ o C/c

m

Hệ số dẫn

nở nhiệt theo chiều dài TKI

10 5 ,1/ o C

Độ thấm nước sau 24 giờ, %

Polyvinyl-15 -10 16 3-5 0,03-0,08 15-20 Polymetyl-

metacrilat 1,2 400-700 2-10 70-90 2 9 0,35 10

13 -10 14 3,5-4,5 0,02-0,08 20-35 Polyamit 1,1-1,15 700-900 90 100-120 3 10-13 1,5 10 13 -10 14 3-4 0,015-0,035 15-20 Epoxy 1,1-1,25 800-900 - 120-140 2 6-6,5 0,1 10 14 -10 15 3-4 0,01-0,03 20-80 Phenolfoc-

mandehyt 1,25-1,3 500-550 1-1,15 110-180 2 4-7 0,15 10

13 -10 14 5-6,5 0,01-0,1 10-20 Polyeste 1,1-1,45 250-700 5-10 110-150 1,7 8-10 0,1-0,6 10 13 -10 16 3-4,5 0,002-0,02 15-20

1

Danh mục các hình vẽ

Hình 1: Quan hệ giữa tốc độ ôxi hoá với nhiệt độ của sắt, vonfram, đồng, crôm, niken (trong không khí)

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

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

Hình 4: Quan hệ tgδ = f(to) ở tần số 50 Hz đối với nhựa đường

Hình 5: Cáp một lõi có vỏ bọc

Hình 6: Cấu tạo cáp điện ba pha

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

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

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

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

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

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

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

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

Hình 15: Đầu nối cáp elbow

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

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

Hình 18: Lắp đặt cáp

Hình 19: Điện trường trong cáp cách điện một lớp

Hình 20: Điện trường trong cách điện nhiều lớp

Hình 21: Điện trường trong cách điện phân chia bằng màn chắn

Hình 22 Điện dung của các loại cáp khác nhau

Hình 23: Nối đất tại một đầu vỏ cáp

Hình 24: Nối đất tại tại giữa tuyến cáp

Hình 25: Nối đất vỏ cáp tại nhiều phân đoạn

Hình 26: Dòng điện chạy quẩn trong vỏ cáp khi nối đất cả hai đầu

Hình 27: Nối đất vỏ cáp không hoán vị pha

Hình 28: Nối đất hai đầu vỏ cáp hoán vị pha

Hình 29: Nối đất lặp lại nhiều lần trên tuyến cáp

Danh mục các bảng

Bảng 1: Hằng số vật lý và các tính chất hoá học

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

Bảng 3 Các hằng số vật lý và hoá học chính của nhôm

Bảng 4: Cấp cách điện và chủng loại vật liệu

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

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

Bảng 7: Nhiệt độ hoá dẻo của nhựa đường

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

Bảng 10: Bán kính cong cực đại của cáp

Bảng 11: Lực kéo tối đa cho phép của cáp

Bảng 13: Hằng số điện môi một số vật liệu cách điện

Bảng 14: Ma trận độ tự cảm của cáp điện

Bảng 15: So sánh tỷ lệ phân bố dòng điện trên hệ thống cáp điện đơn pha vận hành

song song: (trường hợp sử dụng 3 sợi cáp cho một pha với các tiết diện khác nhau)

Bảng 16: So sánh tỷ lệ phân bố dòng điện trên hệ thống cáp điện đơn pha vận hành

song song:(trường hợp sử dụng 5 sợi cáp cho một pha với các tiết diện khác nhau)

Bảng 17: So sánh tỷ lệ phân bố dòng điện trên hệ thống cáp điện đơn pha vận hành

song song:(trường hợp sử dụng 3 sợi cáp cho một pha với các tiết diện khác nhau có thực hiện hoán vị)

Bảng 18: So sánh dòng điện trên từng pha

Bảng 19: Điện áp cảm ứng trên vỏ giáp bảo vệ với I = 1000A; l = 1000 m (trường hợp

cáp hạ thế)

LỜI CAM ĐOAN

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i

C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a ®−îc ai c«ng bè

D−¬ng Quang Vinh

Mục lục

Mở đầu 1

Chương I Cáp điện và ứng dụng cáp điện trong truyền tải điện năng 3

I Vật liệu dẫn điện trong cáp điện 3

1.1 Yêu cầu kỹ thuật 3

1.2 Đồng (Cu) 3

1.3 Nhôm (Al) 7

II Vật liệu cách điện trong cáp điện 9

2.1 Phân loại vật liệu cách điện 9

2.2 Vật liệu polyme 9

2.3 Hỗn hợp cách điện 11

2.4 Nhựa cách điện 12

2.5 Nhựa thiên nhiên 13

III GIớI THIệU CHUNG Về CáP NGầM ĐIệN LựC 17

3.1 Khái quát về cáp ngầm điện lực 17

3.2 Phân loại cáp ngầm điện lực 19

3.3 Nhận xét 24

IV Cấu tạo cáp cách điện polyme 24

4.1 Cấu tạo chung 24

4.2 Các đặc tính của cáp 31

V Nhận xét 38

Chương II Phân bố điện trường - từ trường trên cáp điện 39 I Điện trở trong cáp điện 39

II Điện trường trong cáp điện 39

2.1 Điện trường trong cách điện một lớp 39

2.2 Điện trường trong cách điện có nhiều lớp 41

2.3 Điện trường trong cách điện phân chia bằng màn chắn 42

III Độ từ cảm và điện kháng của đường dây 46

3.1 Tự cảm 46

3.2 Hỗ cảm 46

3.3 Độ từ cảm và điện kháng của dây dẫn 47

IV Dung dẫn của đường dây 48

4.1 Cường độ điện trường 48

4.2 Điện dung của cáp đơn pha 49

V Xác định hỗ cảm giữa các dây dẫn 51

VI Nhận xét 53

Chương III Các phương pháp nối đất vỏ cáp 54

I Đặt vấn đề 54

II Nối đất tại một điểm 54

2.1 Các cách thực hiện 54

2.2 Các quan hệ dòng tải và điện áp cảm ứng 56

III Nối đất vỏ cáp tại nhiều điểm 58

3.1 Các cách thực hiện 58

3.2 Điện áp và dòng điện trong vỏ cáp khi sự cố 61

IV Nhận xét 64

Chương IV áp dụng tính toán phân bố dòng điện trong cáp đơn pha chạy song song và Điện áp cảm ứng trên vỏ cáp điện lực 65

I Mô tả hiện trạng 65

II Phân bố dòng điện trên hệ thống cáp đơn pha vận hành song song 66

2.1 Tự cảm và hỗ cảm trên dây dẫn 66

2.2 Phân bố dòng điện trên cáp điện vận hành song song 71

2.3 Nhận xét 77

III Điện áp cảm ứng trên vỏ cáp hạ thế 77

3.1 Chế độ làm việc bình thường 77

3.2 Trường hợp ngắn mạch 3 pha 79

3.3 Trường hợp ngắn mạch 2 pha 79

IV Điện áp cảm ứng trên vỏ cáp cao thế 80

4.1 Nối đất tại các vị trí hộp nối 81

4.2 Nối đất tại nhiều điểm 82

Kết luận 85

phụ lục 1: đặc điểm kỹ thuật riêng (Cáp ngầm trung thế ruột đồng 24kV – 3ì400 mm2) 87

phụ lục 2: đặc điểm kỹ thuật riêng và cam kết (Cáp ngầm trung thế ruột đồng 24kV – 3ì240 mm2) 92

Mở đầu

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

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

Để đáp ứng được nhu cầu của xã hội, ngày càng nhiều chủng loại cáp ra đời

đáp ứng các yêu cầu của người sử dụng Cùng với đó đòi hỏi người thiết kế phải quan tâm đến các đặc điểm riêng biệt của từng loại cáp nhằm đạt được ứng dụng tốt nhất trong công trình

Với mật độ phụ tải cao, việc sử dụng cáp điện có tiết diện lớn gây không ít khó khăn trong việc thi công cũng như vận chuyển Không dừng ở đó, với điều kiện không gian hạn chế và thi công thủ công bằng sức người việc sử dụng cáp ba pha ba dây (với cáp cao thế), ba pha bốn dây (với cáp hạ thế) trở nên không khả thi trong nhiều trường hợp Từ yêu cầu thực tế, việc lựa chọn cáp điện đơn pha trong cung cấp

điện tạo nên sự thuận lợi trong thi công, vận hành cũng như bảo dưỡng suốt trong tuổi đời dự án đã giải quyết được nhiều khó khăn và đảm bảo được các yêu cầu về

kỹ thuật cũng như mỹ thuật của hệ thống điện

Tuy nhiên, do có các đặc điểm riêng biệt của mình, khi sử dụng cáp điện đơn pha cũng đòi hỏi người thiết kế phải quan tâm và giải quyết một số yêu cầu kỹ thuật trong quá trình sử dụng

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

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

quá trình vận hành, điện áp cảm ứng này gây mất an toàn cho người vận hành cũng như có thể phát sinh phóng điện khi có giá trị đủ lớn Việc hạn chế cũng như khống chế được điện áp cảm ứng này trở thành yêu cầu bắt buộc đối với việc ứng dụng cáp

điện đơn pha trong các công trình điện

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

tế cao nhất

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

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

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

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

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

và bạn bè đồng nghiệp cho bản luận văn này

Hà Nội ngày 30 tháng 03 năm 2011

Học Viên

Dương Quang Vinh

Chương I Cáp điện và ứng dụng cáp điện

trong truyền tải điện năng

I Vật liệu dẫn điện trong cáp điện

1.1 Yêu cầu kỹ thuật

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

số điều kiện:

- Khả năng mang tải

- Phù hợp với cấp điện áp

- Tổn thất thấp

- Tính mềm dẻo, khả năng chịu uốn tốt

- Thoả mãn các điều kiện kinh tế

và tăng tính chịu nhiệt

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

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

- Có sức bền cơ học lớn

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

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

Điện dẫn của Cu có thể thay đổi rất mạnh khi có tạp chất Ví dụ nếu trong

đồng có 0,5%Zn, Cd, Mg thì điện dẫn của Cu có thể giảm đi 5%, và nếu cũng có

Cu W

Fe

chừng đó các chất Ni, Sn, Al thì có thể giảm đến 25% - 40%; còn nếu có tạp chất

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

Đồng không có ôxy: Là đồng có độ bền cơ học rất tốt, trong nó không chứa

quá 0,05% tạp chất và trong lượng tạp chất ấy thì lượng ôxi không quá 0,02%

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

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

độ dãn khi đứt rất lớn, điện dẫn suất cao

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

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

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

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

Các hợp kim của đồng :

Hợp kim đồng thường gặp là đồng thanh và đồng thau

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

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

Hợp kim đồng có các tính chất cơ học tốt song đảm bảo các khả năng dẫn

δk

l

l

∆1

2

điện Do đó đ−ợc ứng dụng trong việc chế tạo các tiếp điểm, khí cụ điện và phụ kiện lắp đặt

- Nhiệt l−ợng riêng trung bình ở 25oC

- Điểm sôi ở 760mm cột thuỷ ngân

- Hệ số giãn nở dài trung bình ở 20oC

- Nhiệt độ kết tinh lại

W/cm.độ cal/cm.s.độ

oC kcal/kg.độ

o

C 1/độ (grd)

0,00393

3,92 0,938 1.083 0,0918

2325 16,42.10-6

200 13.000

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

Độ bền cơ học thấp, khó hàn, dễ bị tác dụng với muối nước, HCl, NaOH đậm

đặc Nhôm là loại vật liệu thứ hai sau đồng sử dụng rất rộng rãi; nó là loại vật liệu

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

về độ dài, bằng nhau về điện trở thì mặc dù nhôm có tiết diện lớn hơn 1,68 lần,

đường kính lớn hơn 1,3 lần nhưng nó lại nhẹ hơn đồng gần 2 lần); còn các hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung, nhiệt lượng để cho chảy thì lớn hơn đồng (do đó để cho nhôm chuyển sang trạng thái lỏng cần nhiều nhiệt năng hơn so với đồng, tuy rằng

điểm nóng chảy của nhôm thấp hơn đồng); điện trở suất của nhôm gấp 1,6 lần đồng; nhôm lại có nhiều trong thiên nhiên, giá thành rẻ hơn đồng (khi thay dây cần chú ý

đến việc giá thành của cách điện tỉ lệ với chu vi của tiết diện nên có khi dùng nhôm

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

so với đồng

- Nhiệt độ nóng chảy bình thường

- Nhiệt lượng riêng trung bình

- Nhiệt lượng nóng chảy tiềm tàn riêng

- Điểm sôi ở 760 mm cột thuỷ ngân

oC kcal/kg kcal/kg

o

C 1/oC

oC kG/mm2

kG/mm2

%

% kG/mm2

2,7 2,941 0,34 0,004

2,1 0,503

657 0,2259

93

2270 23,8.10-6

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

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

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

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

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

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

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

II Vật liệu cách điện trong cáp điện

2.1 Phân loại vật liệu cách điện

Phân loại theo trạng thái vật lý

- Vật liệu cách điện (VLCĐ) thể khí

- VLCĐ thể lỏng

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

Phân loại theo thành phần hoá học

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

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

Phân loại theo tính chịu nhiệt

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

2.2 Vật liệu polyme

Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp vật liệu, hiện nay vật liệu cách

điện ngày càng đa dạng thuận lợi trong việc chế tạo, sử dụng và vận hành Các vật liệu polyme được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo cáp dẫn điện ở các cấp điện áp Polyme theo cách mô tả ban đầu một phân tử của nhiều hợp phần cơ bản Ngày nay theo IUPAC (International Union for Pure and Applied Chemistry) – liên hiệp quốc

tế về hoá cơ bản và ứng dụng) polyme được định nghĩa một “một hợp chất gồm các

phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một loại hay nhiều loại nguyên

tử hay một nhóm nguyên tử (đơn vị cấu tạo monome) liên kết với nhau với số lượng khá lớn để tạo nên một loạt tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể khi lấy đi hoặc thêm vào một vài đơn vị cấu tạo”

Bảng 4: Cấp cách điện và chủng loại vật liệu

Các vật liệu cách điện chủ yếu trong từng cấp

trong chất cách điện lỏng

dầu để giảm tác động hoá già của điện môi

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

hetinac, epoxy, polyeste…

B 130

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

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

hoặc các lớp đệm bằng vật liệu vơ cơ

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

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

như: mica, thuỷ tinh, sứ

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

Phân loại theo nguồn gốc hình thành

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

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

Phân loại theo cấu trúc

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

Phân loại theo tính chịu nhiệt

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

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

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

2.3 Hỗn hợp cách điện

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

là compound nhiệt

- Theo công dụng có thể chia compound thành hai loại chính: một loại dành

để tẩm và một loại dùng để rót Loại tẩm hay dùng để ngâm, tẩm cuộn dây máy

điện Loại rót dùng để rót vào các hộp đầu cáp, vào vỏ máy biến dòng, vỏ các thiết

bị điện, lấp đầy những hốc lớn, các khe giữa những chi tiết khác nhau nhằm bảo vệ cách điện khỏi độ ẩm, làm tăng điện áp đánh thủng của cách điện, tăng độ bền cơ học của chúng…

- Theo tính chất có thể chia compound thành loại nhiệt cứng và loại nhiệt dẻo Compound nhiệt cứng là loại không bị mềm đi nữa khi đã được đông cứng khác

với loại nhiệt dẻo bị mềm đi khi bị nung nóng Loại nhiệt dẻo dùng để rót hoặc tẩm nh− compound bitum, chất điện mơi dạng sáp, polyme nhiệt dẻo…

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

- Polyvinylclorit (C2H3Cl)nrất bền đối với nước, kiềm, axit loãng, dầu, xăng

và rượu Dùng làm chất cách điện cho dây dẫn, vỏ bọc bảo vệ cho cáp, vỏ bình ắcqui

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

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

- Gliptan: Độ bám dính, độ đàn hồi, độ bền hoá già do nhiệt và độ bền chống

sự tạo vết cao hơn bakelit Dùng chế tạo sơn dán, sơn tẩm cho các thiết bị điện

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

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

2.5 Nhựa thiên nhiên

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

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

Cã 1 b¶ng ngang

2.5.2 Nhựa thông (colofan)

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

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

Colofan có tính chất cách điện như sau: ρ = 1014 ữ 1015 Ω.cm; Eđt = 10 ữ 15 kV/mm và có hằng số điện môi ε và tgδ phụ thuộc vào nhiệt độ như hình vẽ 3, đặc trưng cho điện môi cực tính Nhiệt độ hóa dẻo của các loại colofan khác nhau vào khoảng 50 ữ 70oC Colofan ôxi hóa từ từ trong không khí, khi đó nhiệt độ hóa dẻo của nó tăng nhưng độ hòa tan lại giảm đi

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

2.5.3 Nhựa côpan

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

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

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

0,15 tgδ 1,10

2.5.4 Nhựa đường

Nhựa đường là hỗn hợp phức tạp của các hydrocacbon có chứa thêm ôxy và

lưu huỳnh đó là những chất không định hình với những tính chất đặc trưng phức

hợp Chúng có màu đen hoặc màu sẫm Nhựa đường hòa tan trong hydrocacbon,

riêng các hydrocacbon thơm (như benzen, toluen…) thì càng dễ tan; nhưng không

tan trong rượu và nước Chúng ít hút nước và thực tế là nước không thấm qua lớp

màng nhựa mỏng ở nhiệt độ thấp, nhựa đường thường giòn và sinh ra những vết nứt

có dạng vân đặc biệt, chúng có tính nhiệt dẻo và tỷ trọng gần 1 g/cm3

Dựa theo nguồn gốc người ta phân nhựa đường thành:

- Nhựa đường nhân tạo (gốc là dầu mỏ) là sản phẩm nặng khi chưng cất dầu

mỏ

- Nhựa đường thiên nhiên (khoáng sản) thường gọi là nhựa đường atfan

Những lớp quặng atfan gắn liền với những lớp khoáng dầu mỏ vì trong điều

kiện tự nhiên atfan cũng được tạo thành từ dầu mỏ

Trong kỹ thuật cách điện người ta sử dụng nhựa đường có nhãn hiệu БН-III,

БН-IV và БН-V được điều chế từ dầu mỏ và còn sử dụng loại đặc biệt có tính chịu

nóng ký hiêu В và Г Nhiệt độ hóa dẻo của các loại nhựa đường nêu trên cho trong

bảng 7:

Bảng 7: Nhiệt độ hoá dẻo của nhựa đường

Nhiệt độ hóa dẻo của atfan lên tới 220oC Thông thường nhựa đường chịu

được nhiệt độ càng cao thì tính cách điện càng tốt Khi nhiệt độ tăng lên thì tính

cách điện bị giảm dần đi (hình vẽ 4) Có thể nâng cao nhiệt độ hóa dẻo của nhựa

đường bằng phương pháp thổi luyện, tức là cho luồng không khí mạnh đi qua nhựa

đường nóng chảy

Nhựa đường là những chất cực tính yếu với ε = 2,5 ữ 3,0, tgδ ≈ 0,01;

Eđt = 10 ữ 25 kV/mm; ρv = 1015 ữ 1016 Ω.cm và các đặc tính này ít phụ thuộc vào độ

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

БН – V: đường 1; Г : đường 2

III GIớI THIệU CHUNG Về CáP NGầM ĐIệN LựC

3.1 Khái quát về cáp ngầm điện lực

Cáp là dây dẫn điện mềm được bọc cách điện và bọc vỏ kim loại, hoặc vật liệu polyme để ngăn chặn các tác dụng bên ngoài đối với cách điện như chênh lệch

độ cao, ngâm trong nước… Chúng phải chịu sự thay đổi nhiệt độ lớn do dòng điện làm việc và điều kiện nhiệt độ môi trường Khi đã được lắp đặt xong, cáp phải vận hành tin cậy trong nhiều thập niên

Cấu tạo của cáp gồm một (hay nhiều) dây dẫn chính (lõi), cách điện đối với

đất và giữa các lõi với nhau, vỏ kim loại và các lớp bọc bảo vệ

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

vệ lõi và cách điện đối với các tác dụng bên ngoài, mà trước hết là độ ẩm và các tác

động cơ giới Lớp bảo vệ là một vỏ bọc bằng thép hoặc băng thép, một lớp sợi đay tẩm bitum Vỏ bọc còn có tác dụng làm cho điện trường phân bố đều hơn và các đặc tính của cáp không phụ thuộc vào cách thức lắp đặt Vỏ bọc polyme thường sử dụng nhựa PVC

25 50 75 100 t o C 0,01

0,02 0,03 0,04 tgδ

0

1 2

Cách điện của cáp phải gánh chịu toàn bộ trọng lượng của dây dẫn (lõi) hoặc các ứng lực do uốn cáp khi cuộn cáp hoặc lắp đặt Vì thế cách điện của cáp yêu cầu phải có độ chịu uốn và độ bền cơ giới cần thiết Vật liệu cách điện dùng trong cáp phải là vật liệu có phẩm chất tốt (độ bền cách điện cao) để giảm kích thước của cáp,

đồng thời còn phải có đủ độ bền cơ giới trong phạm vi biến thiên tương đối rộng của nhiệt độ Độ bền cách điện cao của vật liệu cách điện cho phép giảm chiều dày cách

điện, dẫn đến không chỉ làm giảm chi phí cách điện và các vật liệu của lớp vỏ bọc

mà còn cải thiện điều kiện tản nhiệt và làm tăng dòng điện cực đại cho phép của cáp, cáp trở nên mềm dẻo hơn

Do tính chất các đường cáp cao áp thường lắp đặt ngầm nên có các yêu cầu rất cao về độ tin cậy làm việc đối với cách điện của các đường cáo áp vì việc tìm kiếm các điểm sự cố và khắc phục chúng tốn nhiều thời gian và công sức Cũng cần nhấn mạnh rằng các đường cáp cao áp thường lắp đặt từ nhiều đoạn khác nhau (chiều dài mỗi cuộn cáp từ 250 ữ 1000 m) nối với nhau bởi những đầu nối cáp, mà

Emax

Vỏ bọcDây dẫn (lõi)

những điểm nối này (măng sông) được thực hiện tại hiện trường, công nghệ của chúng thường kém hơn nhiều so với thực hiện trong nhà máy chế tạo cáp

3.2 Phân loại cáp ngầm điện lực

3.2.1 Theo kết cấu cách điện

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

a) Loại cáp tẩm dầu

Loại cáp này còn được gọi là cáp đặc, mỗi lõi dẫn được cách điện bằng giấy tẩm dầu (chứa dầu có độ nhớt cao) Dầu tẩm là loại chất lỏng cách điện có nguồn gốc từ dầu mỏ pha nhựa thông để tăng độ nhớt và ngăn chặn quá trình oxy hoá và

được bịt kín bằng một lớp kim loại ví dụ như vỏ chì Tuy nhiên cáp đặc thường tạo

ra các khoảng trống (lỗ hổng) trong cách điện, có thể dẫn đến hiện tượng ion hoá do

đó độ tin cậy của cáp đặc thấp ở điện áp cao người ta chế tạo cáp một sợi, cáp này bao gồm một lõi bằng đồng hoặc nhôm vặn xoắn rỗng Dây dẫn rỗng lưu thông dầu dưới áp suất cao để tẩm cách điện giấy và đảm bảo dẫn điện đồng đều Cách điện

được tạo bởi các lớp giấy tẩm dầu Lớp vỏ bọc gồm vỏ kim loại và được bảo vệ bởi một lớp nhựa PVC

Loại cáp tẩm dầu có ưu điểm so với loại cáp đổ dầu là ở các đầu nối chất tẩm không bị rỉ ra ngoài do đó không tạo nên các khoảng trống bên trong Cách tẩm bằng loại hỗn hợp không chảy có thể lắp đặt với chênh lệch độ cao giữa hai đầu cáp

đến 300 m mà không tạo nên nguy hiểm chảy chất tẩm xuống đầu phía thấp và không xuất hiện khoảng trống cách điện không được tẩm dầu ở đầu phía cao

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

bị căng phồng ra, khi phụ tải giảm cáp nguội đi, vỏ co lại ít hơn so với cách điện…

do đó hình thành các lỗ trống chứa đầy khí thoát ra từ chất cách điện Các bọc khí này ban đầu xuất hiện ở gần vỏ chì là nơi cường độ điện trường bé nhưng do khuếch tán chúng sẽ xuất hiện ở gần lõi Vì vậy trong các loại cáp tẩm dầu cường độ điện

trường làm việc thường có trị số không cao Do nhược điểm dễ hình thành các bọc khí khi phụ tải thay đổi, nên loại cáp tẩm dầu chỉ dùng ở điện áp xoay chiều tới 35

kV, còn ở điện áp cao hơn phải dùng các loại cáp đổ dầu, cáp dùng khí nén hoặc cáp XLPE

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

b) Loại cáp đổ dầu

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

đó bề mặt của lõi cáp bằng biện pháp này trở nên nhẵn hơn Ngoài ra lõi cáp phải

được bọc bởi một lớp giấy phủ chất bán dẫn điện để tránh tạo thành những điểm

điện trường tăng cục bộ trên bề mặt lõi

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

Ưu điểm của loại cáp đặt trong đường ống kim loại là đơn giản được kết cấu của lớp vỏ bọc chịu áp lực Đa số các loại cáp đổ dầu đều có áp suất 3 - 5 at, nên ưu

điểm nổi bật của loại cáp này là cường độ trường xoay chiều có thể đạt tới 6 - 8 kV/mm, gấp gần ba lần so với loại cáp tẩm dầu điện áp 22 ữ 35 kV Nếu tăng áp suất lên 10 ữ 15 at thì cường độ trường cho phép có thể 10 ữ 15 kV/mm nhưng kết cấu rất phức tạp và phải tăng cường bằng những đai lớn

Nhược điểm của cáp đổ dầu là nó đòi hỏi các thiết bị phụ trợ, ví dụ thiết bị cấp dầu, nên làm tăng khối lượng công việc khi lắp đặt cáp đặc biệt tăng đáng kể lượng dầu và hệ thống đảm bảo áp suất dầu phức tạp hơn cũng như mặt bằng để lắp

đặt các thiết bị này

c) Loại cáp chứa khí nén

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

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

áp suất cao và chỉ bị ion hoá khi cường độ trường lớn Thường khí nitơ được nén tới

áp suất khoảng 12 ữ 15 at Với áp suất này cho phép tăng cường độ trường làm việc tới 12 ữ 15 kV/mm

Nhược điểm của loại cáp chứa khí nén là điều kiện tản nhiệt xấu nên việc sử dụng chúng ở điện áp cao bị hạn chế Hiện nay cáp chứa khí nén được dùng nhiều ở

điện áp 35 kV trên các tuyến đường dốc hoặc yêu cầu đặt cáp thẳng đứng

Hiện nay loại khí SF6 là những loại khí có khả năng cách điện cao hơn nhiều

so với không khí cũng được sử dụng Độ bền điện của khí SF6 ở điều kiện bình thường vào khoảng 10 kV/mm tức là lớn hơn của không khí khoảng 3 lần Đường dây cáp dùng khí nén SF6 có nhiều ưu điểm: kết cấu tương đối đơn giản , tổn hao nhỏ, khả năng khôi phục tính chất cách điện sau khi phóng điện, điện dung đơn vị

bé Kết quả tính toán cho thấy đường dây này có hiệu quả kinh tế cao nếu dùng cho cấp điện áp siêu cao áp

d) Loại cáp siêu dẫn

Cáp siêu dẫn 3 pha gồm 4 ống bằng vật liệu siêu dẫn, chất làm lạnh heli lỏng lưu thông trong 3 ống bên trong (dây dẫn pha) Mỗi lõi được bọc một lớp cách điện

và màn che để cân bằng điện trường

Khoảng trống giữa các pha và ống ngoài cùng cho lưu thông chất lỏng làm lạnh bằng nitơ hoá lỏng (t < 70 K)

Bên ngoài cùng có một lớp cách nhiệt có nhiệm vụ giảm tổn thất nhiệt

Cáp siêu dẫn có khả năng truyền tải công suất tự nhiên đến 4 GVA

đ) Loại cáp cách điện khô

Cáp cách điện khô có thể chế tạo loại 3 lõi hoặc loại một lõi đơn Cáp cách

điện 3 lõi thông thường được bọc trong một vỏ bảo vệ chung Các lõi dẫn điện được bọc cách điện riêng rẽ Khoảng trống ở giữa và xung quanh lõi được chèn chất độn

để tạo ra bề mặt tròn sau đó bọc cách điện Cáp này được gọi là kiểu đai Người ta

còn quấn đai thép xung quanh vỏ ngoài để chống va chạm cơ học khi đào bới cáp chôn ngầm vì không có dòng điện xoáy cảm ứng trong đai thép cáp 3 pha; nhưng với cáp một lõi đơn thì dòng này tồn tại dẫn đến tăng tổn hao và điện cảm của đường dây Với cáp 3 lõi thì phân bố điện trường trong cáp 3 lõi không hoàn toàn xuyên tâm, tạo nên thành phần trường theo bề mặt tiếp tuyến với bề mặt cách điện là hướng

độ bền điện của cách điện yếu nhất Để khắc phục, người ta quấn quanh mỗi lõi một lớp dẫn điện bằng giấy kim loại hoặc màn che chắn bằng dây dẫn đồng để chuyển cáp 3 lõi chung thành cáp 3 lõi đơn về mặt điện học, như vậy cường độ điện trường hoàn toàn theo phương hướng tâm

Một màng giấy bán dẫn được phủ bên ngoài lõi của cáp nhằm hạn chế tăng

điện trường cục bộ trên bề mặt dây dẫn Loại vật liệu này gồm bột than trộn với

đồng polyme giữa ethylen và vinyle acetate (điện trở suất 5.10ư2 Ωm)

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

Polyme nhiệt dẻo (polyvinylclorit PVC, polyetylen PE, polypropylen PP, polyamit PA…)

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

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

e) Nhận xét

Cáp cách điện giấy tẩm dầu, cáp đổ dầu có các tính năng cách điện khá tốt và

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

sẽ bị hạn chế, các loại cáp này yêu cầu lắp đặt phức tạp hơn, phụ kiện (đầu đấu nối,

đầu cáp, bình ổn cáp…) nhiều hơn

Loại cáp trung áp cách điện polyme dùng chủ yếu là cho mạng cung cấp điện

để chôn ngầm dưới đất đang dần thay thế loại cáp giấy tẩm dầu truyền thống do có những ưu điểm vượt trội:

- Mềm dẻo, nhẹ và bền vững

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

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

- Phụ kiện đơn giản hơn

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

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

3.2.2 Theo vật liệu chế tạo lõi cáp

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

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

Cáp ruột đồng có tính dẫn điện kém nên phải sử dụng cáp có tiết diện lớn hốn với cáp đồng, đồng thời cáp ruột nhôm cũng không có tính dẫn nhiệt tốt Nhôm cod khối lượng riêng chỉ bằng một phân ba khối lượng riêng của đồng nên có thể truyền tải lượng công suất lớn gấp đôi đồng cùng trọng lượng

Hiện nay có xu hướng sử dụng nhôm để chế tạo lõi dẫn điện của cáp điện nhưng cần có biện pháp đấu nối sao cho tin cậy và chắc chắn Lý do chính cho việc dùng nhôm là giá cả của nhôm trên thị trường ổn định và rẻ hơn đồng Xong xét về các yếu tố tổng hợp, có thể thấy rằng đồng vẫn chiếm ưu thế hơn nhôm để làm lõi dẫn điện đặc biệt là trong các trường hợp cần truyền tải công suất lớn Chính vì vậy hiện nay người ta thường sử dụng đồng làm lõi dẫn cho cáp ngầm

3.2.3 Theo nhiệm vụ

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

- Cáp truyền tải

- Cáp phân phối

- Cáp chuyên dụng (cáp biển, cáp cho giao thông đường sắt, cáp cho ô tô, máy bay, cáp điều khiển, cáp cho công nghiệp hoá dầu, …)

3.3 Nhận xét

Ngày nay các loại cáp dầu vẫn đang được vận hành trên lưíơí điện trung áp tuy nhiên đó là những tuyến cáp đã được xây dựng cách đây vài chục năm Trong những năm gần đây người ta thường sử dụng cáp ngầm cách điện khô bằng XLPE với ruột dẫn làm bằng đồng với rất nhiều ưu điểm như:

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

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

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

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

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

- Hệ thống cáp không gây ảnh hưởng môi trường do cách điện rắn, không có nguy cơ rò rỉ dầu như các loại cáp dầu

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

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

đồng

IV Cấu tạo cáp cách điện polyme

4.1 Cấu tạo chung

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

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

sự kết hợp cả 2 loại trên

Cách điện là lớp polyetylen khâu mạch (XLPE) được định hình bằng phương

pháp đùn

Đối với các loại cáp bọc có cấp cách điện từ 1.8/(3.6)kV trở lên, lớp màn chắn vỏ cách điện bao gồm phần hỗn hợp bán dẫn phi kim loại kết hợp với phần kim loại

Lớp bán dẫn cũng có mục

đích tương tự lớp màn dùng để

cân bằng điện trường trong cáp,

loại bỏ được các điểm có điện

thế cao trong cáp, do vậy tăng

tuổi thọ và độ tin cậy của cáp

Hình 7 nêu rõ sự phân bố điện

- Ngăn ngừa phóng điện vầng quang

- Giới hạn trường điện môi bên trong cáp

chắn định hình bằng phương pháp đùn thường là loại dễ bóc tách Tuy nhiên lớp này

có thể được chế tạo dính chặt với lớp cách điện (không bóc tách được) theo yêu cầu Phần kim loại được áp sát trên từng lõi cáp riêng biệt đối với các loại cáp có cấp cách điện từ 1.8/(3.6) kV trở lên và bao một lớp băng bằng đồng Ngoài ra, tùy theo yêu cầu, lớp băng đồng có thể được thay thế bằng lớp hợp kim hoặc nhôm dập gợn sóng

Lớp bọc bên trong (ứng dụng cho loại cáp có lớp giáp bảo vệ) Đối với loại có lớp cáp bọc bảo vệ, nếu không sử dụng lớp màn chắn thì có thể thay thể bằng một lớp bọc vật liệu PVC Trong trường hợp lớp màn chắn kim loại và lớp giáp bảo vệ

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

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

Tất cả các loại cáp thường được bọc bên ngoài bằng một lớp vỏ bọc PVC màu

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

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

Không vỏ giáp Cáp nhôm có vỏ giáp

Vỏ cáp vật dẫn cách điện vật dẫn cách điện

lớp ngoài

lớp trong giáp bảo vệ

Vỏ cáp

H×nh 9: C¸p ®iÖn ba lâi 0,6/1(1,2) kV c¸ch ®iÖn XLPE

H×nh 10: C¸p ®iÖn mét lâi 3,6/24 kV c¸ch ®iÖn XLPE

H×nh 11: C¸p ®iÖn ba lâi 3,6/24 kV c¸ch ®iÖn XLPE

Kh«ng vá gi¸p Vá gi¸p b¶o vÖ m¹ kÏm (mét hoÆc 2 líp)

vËt dÉn

líp ngoµi Sîi thñy tinh

Vá c¸p

c¸ch ®iÖn

b¨ng cuèn

mµn ch¾n

Vá gi¸p

b¨ng cuèn c¸ch ®iÖn

Vá gi¸p

Vá c¸p líp lãt

vá gi¸p

H×nh 12: C¸p ®iÖn h¹ thÕ vÆn xo¾n trªn kh«ng ba lâi

H×nh 13: C¸p ®iÖn trung thÕ vÆn xo¾n trªn kh«ng ba lâi c¸ch ®iÖn XLPE