1.3.2.1. Theo kết cấu cách điện
Tuỳ theo kết cấu cách điện, cáp được chia thành các loại sau đây:
a) Loại cáp tẩm dầu
Loại cáp này còn được gọi là cáp đặc, mỗi lõi dẫn được cách điện bằng giấy tẩm dầu (chứa dầu có độ nhớt cao). Dầu tẩm là loại chất lỏng cách điện có nguồn gốc từ dầu mỏ pha nhựa thông để tăng độ nhớt và ngăn chặn quá trình oxy hoá và được bịt kín bằng một lớp kim loại ví dụ như vỏ chì. Tuy nhiên cáp đặc thường tạo ra các khoảng trống (lỗ hổng) trong cách điện, có thể dẫn đến hiện tượng ion hoá do đó độ tin cậy của cáp đặc thấp. Ở điện áp cao người ta chế tạo cáp một sợi, cáp này bao gồm một lõi bằng đồng hoặc nhôm vặn xoắn rỗng. Dây dẫn rỗng lưu thông dầu dưới áp suất cao để tẩm cách điện giấy và đảm bảo dẫn điện đồng đều. Cách điện được tạo bởi các lớp giấy tẩm dầu. Lớp vỏ bọc gồm vỏ kim loại và được bảo vệ bởi một lớp nhựa PVC.
Loại cáp tẩm dầu có ưu điểm so với loại cáp đổ dầu là ở các đầu nối chất tẩm không bị rỉ ra ngoài do đó không tạo nên các khoảng trống bên trong. Cách tẩm bằng loại hỗn hợp không chảy có thể lắp đặt với chênh lệch độ cao giữa hai đầu cáp đến 300 m mà không tạo nên nguy hiểm chảy chất tẩm xuống đầu phía thấp và không xuất hiện khoảng trống cách điện không được tẩm dầu ở đầu phía cao.
Nhược điểm chủ yếu của loại cáp tẩm dầu nhớt là sự xuất hiện các bọc khí bên trong cáp ảnh hưởng xấu đến cách điện. Một trong những nguyên nhân gây nên hiện tượng này là chu trình đốt nóng và nguội đi của cáp khi làm việc với phụ tải thay đổi thường xuyên. Nguyên nhân hình thành các bọc khí là do hệ số dãn nở nhiệt của cách điện khác với vỏ chì, khi phụ tải tăng, cáp bị phát nóng mạnh, vỏ chì bị căng phổng ra, khi phụ tải giảm cáp nguội đi, vỏ co lại ít hơn so với cách điện... do đó hình thành các lỗ trống chứa đầy khí thoát ra từ chất cách điện. Các bọc khí này ban đầu xuất hiện ở gần vỏ chì là nơi cường độ điện trường bé nhưng do khuếch tán chúng sẽ xuất hiện ở gần lõi. Vì vậy trong các
loại cáp tẩm dầu cường độ điện trường làm việc thường có trị số không cao. Do nhược điểm dễ hình thành các bọc khí khi phụ tải thay đổi, nên loại cáp tẩm dầu chỉ dùng ở điện áp xoay chiều tới 35 kV, còn ở điện áp cao hơn phải dùng các loại cáp đổ dầu, cáp dùng khí nén hoặc cáp XLPE.
Ngoài ra loại cáp tẩm dầu, các đầu đấu nối, đầu cuối của cáp thường bị chảy dầu nên loại cáp XLPE được sử dụng ngày càng nhiều.
b) Loại cáp đổ dầu
Cáp đổ dầu dùng ở điện áp cao (110 kV trở lên) và thường chỉ có một lõi. Trong loại cáp này dầu có áp suất cao sẽ chảy dọc theo đường cáp để lấp kín các bọt khí được hình thành trong thời gian của các chu trình nhiệt, cáp dầu là đại diện cho cáp áp lực. Dầu được lưu thông bên trong cáp, áp suất dầu .trong cáp được duy trì cao hơn áp suất không khí để ngăn chặn các lỗ trống phát sinh trong cách điện đồng thời tăng áp suất dầu trong cáp còn có mục đích tăng khả năng cách điện của dầu và giảm kích thước của cáp. Trước hết các lõi cáp được chế tạo từ các dây dẫn có tiết diện đặc biệt, không phải bằng dây dẫn tròn như đối với với loại cáp dưới 35 kV do đó bề mặt của lõi cáp bằng biện pháp này trở nên nhẵn hơn. Ngoài ra lõi cáp phải được bọc bởi một lớp giấy phủ chất bán dẫn điện để tránh tạo thành những điểm điện trường tăng cục bộ trên bề mặt lõi.
Theo áp suất dầu, cáp đổ dầu được phân thành các loại là cáp áp suất thấp (đến 0,2MPa), áp suất trung bình (0,4÷0,5 MPa) và áp suất cao (0,8÷1,6 MPa).
Ưu điểm của loại cáp đặt trong đường ống kim loại là đơn giản được kết cấu của lớp vỏ bọc chịu áp lực. Đa số các loại cáp đổ dầu đều có áp suất 3 - 5 at, nên ưu điểm nổi bật của loại cáp này là cường độ trường xoay chiều có thể đạt tới 6 - 8 kV/mm, gấp gần ba lần so với loại cáp tẩm dầu điện áp 22÷35 kV. Nếu tăng áp suất lên 10÷15 at thì cường độ trường cho phép có thể 10÷15 kV/mm nhưng kết cấu rất phức tạp và phải tăng cường bằng những đai lớn.
Nhược điểm của cáp đổ dầu là nó đòi hỏi các thiết bị phụ trợ, ví dụ thiết bị cấp dầu, nên làm tăng khối lượng công việc khi lắp đặt cáp đặc biệt tăng đáng kể
lượng dầu và hệ thống đảm bảo áp suất dầu phức tạp hơn cũng như mặt bằng để lắp đặt các thiết bị này.
c) Loại cáp chứa khí nén
Đây là loại cáp chứa khí nitơ tương tự như cáp đổ dầu. Lõi cáp sau mỗi pha khi bọc cách điện (giấy cáp) và bọc vỏ chì sẽ được đặt trong ống thép chứa khí nén.
Do áp suất của khí nén truyền vào cách điện của lõi nên các bọt khí cũng có áp suất cao và chỉ bị ion hoá khi cường độ trường lớn. Thường khí nitơ được nén tới áp suất khoảng 12 ÷15 at. Với áp suất này cho phép tăng cường độ trường làm việc tới 12 ÷15 kV/mm.
Nhược điểm của loại cáp chứa khí nén là điều kiện tản nhiệt xấu nên việc sử dụng chúng ở điện áp cao bị hạn chế. Hiện nay cáp chứa khí nén được dùng nhiều ở điện áp 35 kV trên các tuyến đường dốc hoặc yêu cầu đặt cáp thẳng đứng.
Hiện nay loại khí SF6 là những loại khí có khả nâng cách điện cao hơn nhiều so với không khí cũng được sử dụng. Độ bền điện của khí SF6 ở điều kiện binh thường vào khoảng 10 kV/mm tức là lớn hơn của không khí khoảng 3 lần. Đường dây cáp dùng khí nén SF6 có nhiều ưu điểm: kết cấu tương đối đơn giản , tổn hao nhỏ, khả năng khôi phục tính chất cách điện sau khi phóng điện, điện dung đơn vị bé. Kết quả tính toán cho thấy đường dây này có hiệu quả kinh tế cao nếu dùng cho cấp điện áp siêu cao áp.
d) Loại cáp siêu dẫn
Cáp siêu dẫn 3 pha gồm 4 ống bằng vật liệu siêu dẫn, chất làm lạnh heli lỏng lưu thông trong 3 ống bên trong (dây dẫn pha). Mỗi lõi được bọc một lớp cách điện và màn che để cân bằng điện trường.
Khoảng trống giữa các pha và ống ngoài cùng cho lưu thông chất lỏng làm lạnh bằng nitơ hoá lỏng (t < 70 K).
Bên ngoài cùng có một lớp cách nhiệt có nhiệm vụ giảm tổn thất nhiệt. Cáp siêu dẫn có khả năng truyền tải công suất tự nhiên đến 4 GVA.
e) Loại cáp cách điện khô
Cáp cách điện khô có thể chế tạo loại 3 lõi hoặc loại một lõi đơn. Cáp cách điện 3 lõi thông thường được bọc trong một vỏ bảo vệ chung. Các lõi dẫn điện được bọc cách điện riêng rẽ. Khoảng trống ở giữa và xung quanh lõi được chèn chất độn để tạo ra bề mặt tròn sau đó bọc cách điện. Cáp này được gọi là kiểu đai. Người ta còn quấn đai thép xung quanh vỏ ngoài để chống va chạm cơ học khi đào bới cáp chôn ngầm vì không có dòng điện xoáy cảm ứng trong đai thép cáp 3 pha; nhưng với cáp một lõi đơn pha thì dòng này tồn tại dẫn đến tăng tổn hao và điện cảm của đường dây.
Với cáp 3 lõi thì phân bố điện trường trong cáp 3 lõi không hoàn toàn xuyên tâm, tạo nên thành phần trường theo bề mặt tiếp tuyến với bề mặt cách điện là hướng độ bền điện của cách điện yếu nhất. Để khắc phục, người ta quấn quanh mỗi lõi một lớp dẫn điện bằng giấy kim loại hoặc màn che chắn bằng dây dẫn đồng để chuyển cáp 3 lõi chung thành cáp 3 lõi đơn về mặt điện học, như vậy cường độ điện trường hoàn toàn theo phương hướng tâm.
Một màng giấy bán dẫn được phủ bên ngoài lõi của cáp nhằm hạn chế tăng điện trường cục bộ trên bề mặt dây dẫn. Loại vật liệu này gồm bột than trộn với đồng polyme giữa ethylen và vinyle acetate (điện trở suất 5.102 Ωm).
Vật liệu cách điện của cáp là polyme. Polyme được tổng hợp từ các phân tử monome. Phần lớn các vật liệu cách điện hiện đại đều được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp. Về phương diện kỹ thuật, các polyme quan trọng được phân loại thành:
- Polyme nhiệt dẻo (polyvinylclorit PVC, polyetylen PE, polypropylen pp, polyamit PA….
- Elastomer (cao su tự nhiên NR, cao su butyl IIR, cao su etylen - propylen EPR, cao su slicon SiK).
f) Nhận xét
Cáp cách điện giấy tẩm dầu, cáp đổ dầu có các tính năng cách điện khá tốt và độ tin cậy cao trong vận hành.Tuy nhiên những loại cáp này có nhược điểm: công nghệ chế tạo phức tạp và năng suất thấp, chỉ được chế tạo trong ống kim loại vì vật liệu giấy tẩm dầu có độ bền chống ẩm thấp làm cho kết cấu phức tạp và giá thành cao hơn. Ngoài ra do dầu chảy nên lắp đặt cáp khi có chênh lệch độ cao hai đầu lớn sẽ bị hạn chế, các loại cáp này yêu cầu lắp đặt phức tạp hơn, phụ kiện (đầu đấu nối. đầu cáp, bình ổn cáp...) nhiều hơn.
Loại cáp trung áp cách điện polyme dùng chủ yếu là cho mạng cung cấp điện để chôn ngầm dưới đất đang dần thay thế loại cáp giấy tẩm dầu truyền thống do có những ưu điểm vượt trội:
- Mềm dẻo, nhẹ và bền vững.
- Không cần hệ thống duy trì áp suất của chất lỏng.
- Lắp đặt đơn giản hơn, bảo dưỡng nhanh hơn so với loại cáp tẩm dầu. - Phụ kiện đơn giản hơn.
- Cách điện bằng chất dẻo có thể phủ lên lõi dẫn điện bằng phương pháp đun trực tiếp, do đó năng suất chế tạo cáp cao hơn hẳn so với loại cáp cách điện giấy tẩm dầu bằng phương pháp cuốn.
- Ngoài ra nó còn có ưu điểm là không cần công đoạn sấy, tẩm.
1.3.2.2.Theo vật liệu chế tạo lõi cáp
Theo vật liệu chế tạo lõi cáp có thể chia thành loại cáp ngầm ruột nhôm và cáp ngầm ruột đồng.
Cáp ruột đồng có tính dẫn điện tốt song suất đầu tư lớn.
Cáp ruột nhôm có tính dẫn điện kém nên phải sử dụng cáp có tiết diện lớn hơn với cáp đồng, đồng thời cáp ruột nhôm cũng không có tính dẫn nhiệt tốt. Nhôm có khối lượng riêng chỉ bằng một phân ba khối lượng riêng của đồng nên có thể truyền tải lượng công suất lớn gấp đôi đồng cùng trọng lượng.
Hiện nay có xu hướng sử dụng nhôm để chế tạo lõi dẫn điện của cáp điện nhưng cần có biện pháp đấu nối sao cho tin cậy và chắc chắn. Lý do chính cho
việc dùng nhôm là giá cả của nhôm trên thị trường ổn định và rẻ hơn đồng. Xong xét về các yếu tố tổng hợp, có thể thấy rằng đồng vẫn chiếm ưu thế hơn nhôm để làm lõi dẫn điện đặc biệt là trong các trường hợp cần truyền tải công suất lớn. Chính vì vậy hiện nay người ta thường sử dụng đồng làm lõi dẫn cho cáp ngầm.
1.3.2.3.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, ...).
1.3.3. Nhận xét
Ngày nay các loại cáp dầu vẫn đang được vận hành trên lưới 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 nhiềú 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.
- Cách điện của cáp ở thể rắn nên có thể lắp đặt ở mọi dạng địa hình: địa hình dốc hay tại những nơi có độ cao thay đổi.
- Hệ thống cáp không gây ảnh hưởng môi trường do cách điện rắn, không có nguy cơ rò rỉ dầu như các loại cáp dầu.
- Có trọng lượng tương đối nhẹ nên rất thuận lợi trong việc vận chuyển cũng như lắp đặt.
Vì vậy nghiên cứu cấu tạo, kỹ thuật lắp đặt và vận hành cáp trong lưới điện trung áp hiện nay chính là nghiên cứu cho cáp điện lực dùng cách điện polyme ruột đồng.
1.4. Cấu tạo cáp cách điện polyme
1.4.1. Cấu tạo chung
Ruột dẫn của các lớp bọc thường gồm 2 loại nén tròn hoặc xoắn tròn và được làm bằng vật liệu đồng hoặc nhôm.
Tất cả các loại cáp bọc có cấp điện áp từ 1,8/(3,6) kV đều được chế tạo lớp màng chắn ruột dẫn bằng vật liệu phi kim loại và gồm 2 dạng: lớp bán dẫn dạng dải băng hoặc lớp hỗn hợp chất bán dẫn định hình bằng phương pháp đùn hay có thể là sự kết hợp cả 2 loại trên.
Cách điện là lớp polyetylen (XLPE) được định hình bằng phương pháp đùn.
Hình 6: Cấu tạo cáp điện ba pha
Đối với các loại cáp bọc có cấp cách điện từ 1,8/(3,6)kV trở lên, lớp màn chắn vỏ cách điện bao gồm phần hỗn hợp bán dẫn phi kim loại kết hợp với phần kim loại.
Lớp bán dẫn cũng có mục đích tương tự lớp màn dùng để cân bằng điện trường trong cáp, loại bỏ được các điểm có điện thế cao trong cáp, do vậy tăng tuổi thọ và độ tin cậy của cáp.
Dây dẫn
Khi có lớp bán dẫn
Khi không có lớp bán dẫn Khe hở
V
Hình 7: Phân bổ điện thế khi có lớp bán dẫn
Hình 7 nêu rõ sự phân bố điện thế khi có lớp bán dẫn và trong trường hợp không có lớp bán dẫn. Lớp màn thường gồm băng lá đồng mỏng quấn quanh cách điện và bán dẫn tạo nên lớp màn liên tục dọc theo chiều dài cáp. Lớp màn này rất cần thiết đối với cáp trung áp và cao áp nhằm mục đích:
- Ngăn ngừa phóng điện vầng quang. - Giới hạn trường điện môi bên trong cáp. - Giảm điện áp cảm ứng.
- Phân bố điện áp đều.
Phần phi kim loại phải được áp sát trực tiếp lên lớp cách điện dưới dạng dải băng hoặc lớp hỗn hợp chất bán dẫn định hình bằng phương pháp đùn. Lớp màn chắn định hình bằng phương pháp đùn thường là loại dễ bóc tách. Tuy nhiên lớp này có thể được chế tạo dính chặt với lớp cách điện (không bóc tách được) theo yêu cầu.
Phần kim loại được áp sát trên từng lõi cáp riêng biệt đối với các loại cáp có cấp cách điện từ 1.8/(3.6) kV trở lên và bao một lớp băng bằng đồng. Ngoài ra, tùy theo yêu cầu, lớp băng đồng có thể được thay thế bằng lớp hợp kim hoặc nhôm dập gợn sóng.
Lớp bọc bên trong (ứng dụng cho loại cáp có lớp giáp bảo vệ). Đối với loại có lớp cáp bọc bảo vệ, nếu không sử dụng lớp màn chắn thì có thể thay thế bằng một lớp bọc vật liệu PVC. Trong trường hợp lớp màn chắn kim loại và lớp giáp
bảo vệ được làm bằng vật liệu kim loại khác nhau, lớp bọc bằng vật liệu PVC có tác dụng ngăn cách giữa các vật liệu kim loại này.
Lớp giáp bảo vệ cáp, tùy theo yêu cầu, có thể là lớp giáp bằng dây tròn bao bọc xung quanh, dây dẫn hoặc là lớp băng quấn kép và được chế tạo bằng vật liệu thép tráng kẽm hoặc nhôm. Riêng đối với loại cáp 1 lõi, lớp giáp bảo vệ thường được làm bằng vật liệu nhôm do đặc tính không bị từ hoá của lớp giáp bọc khi sử dụng cáp một lõi trong hệ thống điện xoay chiều.