Các điều kiện thời tiết có ảnh hƣởng rất lớn đến khả năng tải của cáp ngầm, đặc biệt ở khu vực Hà Nội các thông số về thời tiết biến động liên tục theo các tháng trong năm. Tuy nhiên việc tính toán chế độ vận hành của cáp ngầm có thể áp dụng cho hai tháng điển hình cho hai mùa cơ bản đó là tháng 1 đại diện cho mùa lạnh khô, tháng 7 đại diện cho mùa nóng ẩm.
Bảng 4.2. Các điều kiện về thời tiết ở khu vực Hà Nội
Các điều kiện Tháng 1 Tháng 7
Thời tiết Ít mƣa Mƣa nhiều
Tình trạng đất Khô Ẩm
Nhiệt trở suất (K.m/W) 1,4 0,9
Nhiệt độ đất ở độ sâu 0,8m U (°C) lớn
Bảng 4.3. Các thông số của vật liệu STT Thông số XLPE Đồng 1 Tgδ 0,0008 2 ε 2,5 3 Suất trở nhiệt t (K.m/W) 3,5 4 Điện dẫn suất (Ω.m) 1,7241.10-8 5 Hệ số α (1/°C) 3,93.10-3 4.1.2.1.Chế độ vận hành 1
Chế độ vận hành 1(một tuyến cáp cấp điện, một tuyến cáp không cấp điện) phƣơng pháp tính toán nhƣ sau:
- Các thông số về điều kiện thời tiết, về vật liệu và thông số cáp điện đƣợc lấy ở các bảng 4.1, 4.2 và 4.3;
- Tính tổn hao điện môi theo công thức (2.24);
- Tính nhiệt trở của lớp cách điện XLPE theo công thức (2.28); - Tính nhiệt trở của lớp vỏ bọc PVC theo công thức (2.29); - Tính nhiệt trở của đất theo công thức (2.43);
- Tính nhiệt giả tƣởng theo công thức (2.31) và theo công thức (2.32); - Tính độ tăng nhiệt do tổn hao điện môi theo công thức (2.34);
- Cuối cùng tính khả năng tải của cáp theo công thức (2.33).
Bảng 4.4. Dòng tải cho phép của tuyến cáp ngầm cấp điện cho trụ sở Bộ Công An ở chế độ vận hành 1 khi hệ số tải U (°C) (K.m/W) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0,9 701 681 661 639 617 594 570 545 519 1,0 673 654 634 613 592 570 546 522 497 1,1 648 629 610 590 569 548 526 502 478 1,2 625 607 588 569 549 528 507 485 461 1,3 604 587 569 550 531 511 490 468 445 1,4 586 569 551 533 514 495 475 454 431
Hình 4.3. Biểu đồ tương quan giữa dòng tải cho phép của tuyến cáp ngầm cấp điện cho trụ sở Bộ Công An ở chế độ vận hành 1 khi hệ số tải
Nhận xét: Tháng 1 dòng tải cho phép của tuyến cáp là 514A, tháng 7 dòng tải cho phép của tuyến cáp là 545A, nhƣ vậy có thể thấy ở mùa khô dòng tải cho phép của tuyến cáp ngầm đạt giá trị nhỏ nhất.
4.1.2.2.Chế độ vận hành 2
Chế độ vận hành 2 (hai tuyến cáp cùng cấp điện) phƣơng pháp tính toán nhƣ sau:
- Các thông số về điều kiện thời tiết, về vật liệu và thông số cáp điện đƣợc lấy ở các bảng 4.1, 4.2 và 4.3;
- Tính tổn hao điện môi theo công thức (2.24);
- Tính nhiệt trở của lớp cách điện XLPE theo công thức (2.28); - Tính nhiệt trở của lớp vỏ bọc PVC theo công thức (2.29); - Tính nhiệt trở của đất theo công thức (2.43);
- Tính nhiệt giả tƣởng theo công thức (2.31) và theo công thức (2.32); - Tính độ tăng nhiệt do tổn hao điện môi theo công thức (2.34)
- Tính nhiệt trở bổ sung theo công thức (2.54)
Bảng 4.5. Dòng tải cho phép của tuyến cáp ngầm cấp điện cho trụ sở Bộ Công An ở chế độ vận hành 2 khi hệ số tải U (°C) (K.m/W) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0,9 512 497 482 467 451 434 417 398 379 1,0 500 485 471 455 440 423 406 388 370 1,1 488 474 460 445 429 413 396 379 361 1,2 478 464 450 435 420 404 387 370 352 1,3 468 454 440 425 410 395 379 362 344 1,4 458 445 431 417 402 386 370 354 336 Nhận xét: Tháng 1 dòng tải cho phép của tuyến cáp là 398A, tháng 7 dòng tải cho phép của tuyến cáp là 402A, nhƣ vậy có thể thấy ở mùa khô dòng tải cho phép của tuyến cáp ngầm đạt giá trị nhỏ nhất. Ở chế độ vận hành 2 khả năng tải của mỗi cáp giảm đi rõ rệt, tuy nhiên khả năng tải của 2 tuyến cáp rõ ràng vẫn lớn hơn một tuyến rất nhiều.
Hình 4.4. Biểu đồ tương quan giữa dòng tải cho phép của tuyến cáp ngầm cấp điện cho trụ sở Bộ Công An ở chế độ vận hành 2 khi hệ số tải
4.1.2.3.Nhận xét
Từ các phân tích trong Chƣơng 2 và tính toán trên cho thấy các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng tải của cáp bao gồm: Suất trở nhiệt của đất, hệ số tải , cấu hình và chiều sâu lắp đặt cáp, nhiệt độ của môi trƣờng trong quá trình vận hành cáp.
Suất trở nhiệt của đất đóng vai trò hết sức quan trọng đối với dòng tải cho phép của cáp. Cụ thể khi nhiệt trở suất của đất giảm từ 1,4K.m/W xuống 0,9 K.m/W (trong điều kiện nhiệt độ môi trƣởng ở 20°C) thì dòng tải cho phép của cáp ngầm 22kV Cu-3x240mm2 tăng từ 514A lên 617A tƣơng đƣơng 20%. Kết quả này có ý nghĩa hết sức quan trọng, do vậy khi thiết kế tuyến lắp đặt cáp ngầm trong môi trƣờng đất có nhiệt trở suất lớn cần phải đào bỏ lớp đất xung quanh cáp thay bằng cát hoặc các loại đất có nhiệt trở suất t ≤ 1 K.m/W.
Hệ số tải đặc trƣng cho biểu đồ phụ tải ngày, khi giảm thì khả năng tải của tuyến cáp tăng.Cụ thể khi giảm từ 1 xuống 0,7 (trong điều kiện nhiệt độ môi trƣờng ở 20°C) thì dòng tải cho phép của cáp ngầm 22kV Cu-3x240mm2 tăng từ 549A lên 656A tƣơng đƣơng 19,5%. Do vậy trong quá trình thiết kế cũng nhƣ vận hành tuyến cáp phải xét đến hệ số tải.
Khi tăng chiều sâu lắp đặt cáp sẽ làm tăng nhiệt trở của đất do vậy sẽ làm giảm khả năng tải của cáp điện. Vì vậy khi thiết kế tuyến cáp ngầm phải giảm chiều sâu chôn cáp ở mức tối thiểu theo quy định hiện hành.
Khả năng tải của tuyến cáp tăng lên khi tăng khoảng cách giữa các cáp. Trong thực tế khoảng cách tối thiểu giữa các cáp đƣợc quy định trong quy phạm, việc tăng khoảng cách giữa các cáp cũng ít đƣợc quan tâm bởi không gian cho việc lắp đặt cáp ngầm thƣờng bị giới hạn hoặc nếu có tăng khoảng cách các cáp thì chi phí đào đắp rãnh cáp cũng tăng đáng kế.
Nhiệt độ môi trƣờng lắp đặt cáp tỷ lệ nghịch với khả năng tải của tuyến cáp ngầm nhƣng yếu tố nhiệt độ mang tính khách quan do vậy khi vận hành tùy từng thời điểm cụ thể mà cho phép tăng dòng tải của tuyến cáp hay không.
4.2.Xác định điểm sự cố của tuyến cáp ngầm 22kV cấp điện cho trụ sở Truyền hình Công an Nhân dân hình Công an Nhân dân
4.2.1.Các thông số đầu vào
Tuyến cáp ngầm 22kV cấp điện cho TBA 1000kVA của Trụ sở truyền hình Công An Nhân Dân địa chỉ tại Số 1 – đƣờng Lê Đức Thọ - quận Nam Từ Liêm – thành phố Hà Nội đƣợc đƣa vào vận hành tháng 12 năm 2011, cáp ngầm đƣợc sử dụng là cáp 24kV Cu/XLPE/PVC/DSTA/PVC 3x240mm2 có khả năng chống thấm dọc.
Mô tả tuyến cáp: Tuyến cáp đƣợc đầu vào máy cắt 487 TBA 110kVA E1.25 Mỹ Đinh → Cây xăng Mỹ Đình → đƣờng Lê Quang Đạo → đƣờng Lê Đức Thọ → tủ RMU TBA 1000kVATrụ sở truyền hình Công An Nhân Dân, chiều dài tuyến cáp theo hồ sơ hoàn công3452m.
Vào ngày 20/3/2015 xảy ra sự cố làm mất điện TBA 1000kVA, qua kiểm tra xác nhận của trạm 110kVA E1.25 Mỹ Đình cho thấy máy cắt xuất tuyết tác động, dòng điện ngắn mạch khá lớn.TBA 1000kVA sau khi bị mất điện đã đóng điện lại vào lộ 484 E1.9 (lộ dự phòng).Khảo sát dọc tuyến cáp ngầm không thấy có dấu hiệu tuyến cáp có dấu hiệu bất thƣờng nhƣ bị đào trúng, qua các thông tin trên có thể đánh giá sơ bộ tuyến cáp ngầm bị sự cố ngắn mạch.
4.2.2.Trình tự thực hiện dò tìm điểm sự cố
Trình tự thực hiện các bƣớc xác định vị trí điểm sự cố tiến hành nhƣ sau: Bƣớc 1: Cô lập cáp khỏi vận hành và tiếp đất
Bƣớc 2: Đo điện trở cách điện của lõi cáp với vỏ, của các lõi với nhau kết quả cho thấy điện trở cách điện của một pha với vỏ giảm mạnh → kết luận sơ bộ pha đó bị ngắn mạch trạm đất. Sau đó đấu nối tắt các pha ở trạm biến áp 1000kVA sau đó dùng đồng hồ vạn năng đo điện trở một chiều từng đôi ruột cáp, kế quả cho thấy điện trở của 3 lần đo cho kết quả tƣơng đƣơng nhau → kết luận ruột cáp còn nguyên vẹn chƣa bị đứt.
Bảng 4.6. Điện trở một chiều từng đôi ruột cáp - tuyến cáp ngầm 22kV cấp điện cho trụ sở Truyền hình Công an Nhân dân
Lần đo Pha 1 – Pha 2 Pha 1 – Pha 3 Pha 2 – Pha 3
Điện trở (Ω) 0,5206 0,5205 0,5203
Bƣớc 3: Định vị sự cố
- Tại TBA 110KVA E1.25 sử dụng thiết bị cầu điện trở đo đƣợc tỷ số = 4,6637 của tuyến cáp theo công thức (3.1) từ đó tính đƣợc chiều dài tuyến cáp từ đầu tuyến cáp tại TBA 110kV E1.25 đến điểm sự số theo công thức (3.2 ) nhƣ sau
- Tại TBA 1000kVA Trụ sở truyền hình Công An Nhân Dân sử dụng thiết bị cầu điện trở đo đƣợc tỷ số = 2,0836 của tuyến cáp theo công thức (3.1) từ đó tính đƣợc chiều dài tuyến cáp từ đầu tuyến cáp tại TBA 1000kVA đến điểm sự số theo công thức (3.2 ) nhƣ sau
Định vị tim tuyến theo mốc báo hiệu cáp ngầm sau đó đo tuyến từ hai đầu tuyến cáp điểm sự cố xác định khoảng sự cố trong phạm vi 5m từ điểm x đến điểm x‟.
Bƣớc 4: Định tuyến cáp sau đóđào rãnh cáp tìm điểm sự cố. Bƣớc 5: Tiến hành sửa chữa.
Bƣớc 6: Thí nghiệm sau sửa chữa.
Bƣớc 7: Đóng điện trở lại cho tuyến cáp.
Kết quả thực tế sau cho thấy vị trí sự cố không nằm phạm vi (x, x‟) mà nằm ngoài khoảng trên, cách vị trí x 1,5m. Sai số trên có thể do các nguyên nhân sau
- Chiều dài tuyến cáp thực tế không phải 3452m
- Sai số do biện pháp đo tuyến bằng thƣớc trên mặt đất để tìm điểm x và x‟ - Sai số của thiết bị đo cầu điện trở.
4.2.3.Nhận xét
Phƣơng pháp cầu điện trở chỉ áp dụng đối với tuyến cáp bị sự cố ngắn mạch pha – đất hoặc ngắn mạch pha – pha và lõi cáp phải còn nguyên vẹn.Phƣơng pháp cầu điển trở khá đơn giản, độ chính xác tƣơng đối cao khi áp dụng với tuyến cáp ngắn nhƣng khi áp dụng cho tuyến cáp có chiều dài lớn thì độ chính xác giảm tƣơng đối mạnh. Đặc biệt phƣơng pháp cầu điện trở không áp dụng đƣợc khi cáp bị sự cố dẫn đến hở mạch (lõi cáp bị đứt), sự cố ngắn mạch ba pha, chạm đất 3 pha. Phƣơng pháp cầu điện trở chỉ nên áp dụng đƣợc khi timtuyến cáp đƣợc xác định tƣơng đối chính xác trên mặt bằng, đối với tuyến cáp không cụ thể thì phải kết hợp với phƣơng pháp dò tuyến.
Trong thực tế để xác định vị trí sự cố tuyến cáp ngầm một cách chính xác và nhanh chóng cần phải phán đoán sự cố, sau đó áp dụng một hoặc phối hợp nhiều phƣơng pháp để định vị sự cố.Trình tựcác bƣớc xác định vị trí sự cố cơ bảnđƣợc thực hiện nhƣ sau:
Bƣớc 1: Cô lập cáp khỏi vận hành sau đó tiếp đất. Bƣớc 2: Đo điện trở cách điện và phân tích sự cố. Bƣớc 3: Định vị sơ bộ sự cố.
Bƣớc 4: Định tuyến cáp.
Bƣớc 5: Xác định chính xác điểm sự cố. Bƣớc 6: Tiến hành sửa chữa.
Bƣớc 7: Thí nghiệm sau khi sửa chữa. Bƣớc 8: Đóng điện trở lại.
KẾT LUẬN
Hiện nay hệ thống cáp ngầm trung thế ở Việt Nam đang tăng trƣởng mạnh về quy mô nhƣng chủ yếu sử dụng cáp cách điện XLPE bởi nhiều ƣu điểm nhƣ khả năng mang tải, khả năng chịu nhiệt, thi công lắp đặt dễ dàng ...
Trong hệ thống cáp ngầm trung thế các sự cố có nguyên nhân từ các điểm đấu nối (đầu cáp, hộp nối) chiếm một tỷ lệ cao vì vậy việc nâng cao kỹ thuật đấu nối là rất cần thiết.
Kỹ thuật lắp đặt và vận hành cáp ngầm trung thế có ảnh hƣởng rất lớn đến độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện và khả năng tải của tuyến cáp.Vì vậy cần thiết phải lựa chọn giải pháp lắp đặt và vận hành cáp ngầm trung thế phù hợp.
Việc thí nghiệm cáp nhằm đánh giá chất lƣợng, phát hiện các lỗi, khiếm khuyết của cáp đồng thời là cơ sở có tính pháp lý khẳng định cáp điện sẵn sàng đƣa vào sử dụng.
Bản luận văn đã đề cập đƣợc những vấn đề cơ bản trong nghiên cứu kỹ thuật lắp đặt, thí nghiệm và vận hành cáp ngầm trung thế. Luận văn đã áp dụng tính toán chế độ vận hành của tuyến cáp ngầm 22kV trên địa bàn thành phố Hà Nội và đƣa ra những đánh giá, kiến nghị nhằm nâng cao khả năng tải, kéo dài tuổi thọ và giảm thiểu sự cố của các tuyến cáp ngầm. Luận văn cũng trình bày việc chuẩn đoán vị trí sự cố cáp ngầm trên tuyến cáp mà tác giả đã tham gia và đƣa ra trình tự các bƣớc xác định vị trí sự cố cáp ngầm.
Hƣớng nghiên cứu tiếp theo về cáp ngầm trung thế trong lƣới điện sẽ là một số nội dung sau
1. Nghiên cứu ảnh hƣởng điện, từ trƣờng của các tuyến cáp ngầm chạy song song với nhau.
2. Nghiên cứu kỹ thuật đấu nối và lắp đặt cáp ngầm vƣợt biển cấp điện ra đảo. 3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của môi trƣờng đất nhiễm mặn đến tuổi thọ của cáp ngầm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bộ Công Thƣơng (2008), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về kỹ thuật điện.
2. Daniel Fournier (1998), Aging of Defective Electrical Joints in Underground Power Distribution Systems, Proceedings of the 44th IEEE Holms Conference on
Electrical Contacts, Arlington, USA , pp. 179-192.
3. E.F. Steenis, W. Boone, A. Montfoort (1990), Water Treeing in Service Aged Cables, Experience and Evaluation Procedure, IEEE Transactions on Power
Delivery, vol. 5, No. 1, pp. 40-46,
4. George J. Anders (1997), Rating Of Electric Power Cables, McGraw-Hill Professional, New York, United States of America.
5. George J. Anders (2005), Rating Of Electric Power Cablesin Unfavorable Thermal Environment ,John Wiley & Sons, New Jersey, United States of America.
6. Jean-Pierre Crine (2004), A Water Treeing Model, Minutes of 115th IEEE PES Insulated Conductors Committee Meeting, Spring.
7. Jong-Beom Lee & Chae-Kyun Jung (2012) ,Technical Reviewon Parallel
Ground Continuity Conductor of Underground Cablesystems, Journal of
International Councilon Electrical Engineering, pp. 250-256.
8. L. Lindstrong (2011), Evaluating impact on ampacity according to IEC-60287 regarding thermally unfavourable placement of power cables, M.S. Thesis, School
of Elect. Eng., KTH Royal Institute of Technology, Stokholm, Sweden
9. Lothar Heinold (1990), Power Cables and their Application Power Cables and
their Application, Siemens Aktiengesellschaft, pp 18-30.
10.Nguyễn Bình Thành, Nguyễn Trần Quân, Lê Văn Bảng (1983), Cơ sở lý thuyết
trường điện từ, Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên ngiệp, Hà Nội.
11.Nguyễn Đình Thắng (2006), Vật liệu kỹ thuât điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
12. P.Werelius, P.Thärning, R.Eriksson, B.Holmgren, U.Gäfvert (2001), Dielectric Spectroscopy for Diagnosis of Water Tree Deterioration in XLPE Cables," IEEE
13. S.Hvidsen, H.Faremo, J.T.Benjaminsen (2006), Diagnostic Testing of High Voltage Water Treed XLPE Cables, CIGRE 2006 Proceedings, paper B1- 209.
14. Stanislaw Czapp, Krzysztof Dobrzynski, Jacek Klucznik, Zbigniew Lubosny (2014), Calculation of Induced Sheath Voltages in Power Cables – Single Circuit
Suystem Versus Double Circuit System, Journal of Information, Control and Management Systems, Vol. 12, (2014), No. 2, pp. 113-124.
15.T.Myashita (1969), Deterioration of Water-Immersed Polyethylene-Coated Wire
by Treeing, Proceeding 1969 IEE-NEMA Electrical Insulation Conference, Boston,
pp. (131-135).
16.Võ Viết Đạn (1972), Kỹ thuật điện cao áp, Đại học Bách khoa Hà Nội.
17.Vũ Xuân An (2008), Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống cáp ngầm cao áp,
Luận văn Thạc sĩ khoa học, Đại học Bách khoa Hà Nội.
18.William A.Thue (2005), Electrical Power Cable Engineering, Taylor & Francis e-Library.
PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Bảng tính dòng tải cho phép của tuyến cáp ngầm 22kV Cu-3x240mm2 mạch đơn