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

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

Chuyên ngành: HỆ THỐNG 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:

ảnh 4x6

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: .
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. . . . . . . . . .


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:

Thời gian
01/08/2006

01/11/2006

01/03/3007

Nơi công tác
Phòng kỹ thuật – CÔNG TY
TNHH KỸ THUẬT NĂNG
LƯỢNG (ENTEC)
Phòng điều độ và sửa chữa
lưới điện – Công ty Điện lực
Cầu Giấy
Phòng kinh doanh – Công ty
Điện lực Cầu Giấy

Công việc đảm nhận
Nhân viên

Nhân viên

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.
Ngày 28 tháng 03 năm 2011
NGƯỜI KHAI KÝ TÊN

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

Tên nhựa

g/cm3

bản chất lý hoá của

Trung tính

PolytetraCực tính

Nhiệt dẻo

Trùng hợp

Polystyrol

floetylen
Polyvinyl-

PolymetylNhiệt cứng

metacrilat

Đa trị

0,91-

Nhiệt

Hệ số dẫn

Độ

bền kéo, dài tơng nóng, oC

dẫn

nở nhiệt

thấm

kG/cm2

đối khi

suất,

theo chiều

nớc

kéo đứt,

W/oC/c

dài TKI

sau 24

%

m

105,1/oC

giờ, %

Độ dãn

,.cm



tg

E,
kV/m

100-150

300-750

90-120

3

16-18

1,01

1015-1017 2,3-2,4 0,0001-0,0005 15-20

1,05

350-600

1-4

70-90

0,8

6-8

0,04

1016-1017 2,4-2,6 0,0001-0,0003 20-35

2,3

150-300

250-300

250

3,4

10

0,01

1017-1018 1,9-2,2 0,0001-0,0002 20-30

1,4-1,7

300-500

50-150

60-70

0,8

5-8

0,1

1015-1016

1,2

400-700

2-10

70-90

2

9

0,35

1013-1014 3,5-4,5

0,97

clorit

Hữu cơ cơ bản

- 14 -

Hữu cơ

chúng

Polyetylen

Độ chịu

Tỷ trọng Giới hạn

3-5

0,03-0,08

15-20

0,02-0,08

20-35

Polyamit

1,1-1,15 700-900

90

100-120

3

10-13

1,5

1013-1014

3-4

0,015-0,035

15-20

Epoxy

1,1-1,25 800-900

-

120-140

2

6-6,5

0,1

1014-1015

3-4

0,01-0,03

20-80

1,25-1,3 500-550

1-1,15

110-180

2

4-7

0,15

1013-1014

5-6,5

0,01-0,1

10-20

1,1-1,45 250-700

5-10

110-150

1,7

8-10

0,1-0,6 1013-1016

3-4,5

0,002-0,02

15-20

-

180-220

0,8

10,5

3-5

0,01-0,03

15-20

Phenolfocmandehyt
Polyeste

Silic hữu cơ 1,6-1,75 200-500

0,1

1014-1015


- 14 -


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 tơng đối
Hình 3: Quan hệ và tg theo nhiệt độ khí f = 50 Hz của Colofan
Hình 4: Quan hệ tg = f(to) ở tần số 50 Hz đối với nhựa đờng
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 hởng của nhiệt độ môi trờng 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 trờng trong cáp cách điện một lớp
Hình 20: Điện trờng trong cách điện nhiều lớp
Hình 21: Điện trờng 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

Hình 30: Các cách thực hiện hoán vị
Hình 31: Một số hình thức bố trí cáp
Hình 32: Bố trí cáp trên một mặt phẳng theo thứ tự lần lợt
Hình 33: Bố trí cáp điện trên một mặt phẳng xen kẽ các pha
Hình 34: Điện áp cảm ứng trên vỏ cáp
Hình 35: Phân bố điện áp trên từng phân đoạn (thực hiện 1 lần hoán vị)
Hình 36: Phân bố điện áp trên từng phân đoạn (thực hiện hai lần hoán vị)


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 đờng
Bảng 8: Nhiệt độ quá tải sự cố của cáp cách điện cao su
Bảng 9: Mật độ dòng điện cho phép (A/mm2)
Bảng 10: Bán kính cong cực đại của cáp
Bảng 11: Lực kéo tối đa cho phép của cáp
Bảng 12: Điện kháng x1 (thứ tự thuận) một pha của cáp bện ba lõi vỏ sắt
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: (trờng 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:(trờng 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:(trờng 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 (trờng hợp
cáp hạ thế)


LI CAM OAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên
cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là
trung thực và cha đợc ai công bố.
Tác giả

Dơng Quang Vinh


Mục lục

Mở đầu.............................................................................................................. 1
Chơng 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
Chơng II. Phân bố điện trờng - từ trờng trên cáp điện 39
I. Điện trở trong cáp điện.................................................................... 39
II. Điện trờng trong cáp điện .......................................................... 39
2.1. Điện trờng trong cách điện một lớp........................................................... 39
2.2. Điện trờng trong cách điện có nhiều lớp ................................................... 41

-a-


2.3. Điện trờng trong cách điện phân chia bằng màn chắn .............................. 42
III. Độ từ cảm và điện kháng của đờng 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 đờng dây .............................................................. 48
4.1. Cờng độ điện trờng.................................................................................. 48
4.2. Điện dung của cáp đơn pha ......................................................................... 49
V. Xác định hỗ cảm giữa các dây dẫn ........................................... 51

VI. Nhận xét.................................................................................................. 53
Chơng III. Các phơng 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
Chơng 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

-b-


III. Điện áp cảm ứng trên vỏ cáp hạ thế ........................................ 77
3.1. Chế độ làm việc bình thờng...................................................................... 77
3.2. Trờng hợp ngắn mạch 3 pha ...................................................................... 79
3.3. Trờng 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

-c-


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 đờng dây trên không trong thành phố đã và đang đợc 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 nh
cải tạo.
Để đáp ứng đợc nhu cầu của xã hội, ngày càng nhiều chủng loại cáp ra đời
đáp ứng các yêu cầu của ngời sử dụng. Cùng với đó đòi hỏi ngời thiết kế phải
quan tâm đến các đặc điểm riêng biệt của từng loại cáp nhằm đạt đợc 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 nh vận chuyển. Không dừng ở đó, với điều kiện
không gian hạn chế và thi công thủ công bằng sức ngời 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 trờng 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 nh bảo dỡng suốt trong
tuổi đời dự án đã giải quyết đợc nhiều khó khăn và đảm bảo đợc các yêu cầu về
kỹ thuật cũng nh 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 ngời 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 trờng 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 h hỏng
cách điện và cũng là nguyên nhân gây nên nhiều sự cố cháy nổ.
- Để bảo vệ đợc tác động cơ học yêu cầu cáp điện phải có lớp vỏ giáp cứng
chắc bảo vệ. Lớp giáp bảo vệ cáp đơn pha đợc chế tạo từ các vật liệu phi từ tính,
xong dới tác dụng của điện trờng do dòng điện của bản thân sợi cáp cũng nh các
sợi cáp của pha khác đã cảm ứng nên một điện áp trên vỏ giáp bảo vệ này. Trong

-1-


quá trình vận hành, điện áp cảm ứng này gây mất an toàn cho ngời vận hành cũng
nh có thể phát sinh phóng điện khi có giá trị đủ lớn. Việc hạn chế cũng nh khống
chế đợc 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 nh vận hành lâu dài các
tuyến cáp điện cần liên tục quan sát cũng nh kiểm tra nhằm đạt đợc 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. Ngời
đã hớng 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 ngời 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 nh 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 đợc 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

Dơng Quang Vinh

-2-


Chơng 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 thớc 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
- Khả năng thay thế
- Đặc tính hoá học
Thờng lựa chọn các kim loại có điện trở suất thấp để làm vật liệu dẫn điện.
Hiện nay chỉ sử dụng phổ biến hai kim loại là đồng và nhôm trong truyền tải điện.
1.2. Đồng (Cu)
Đồng có cấu trúc tinh thể là loại lập phơng diện tâm. Điện dẫn suất rất cao
(chỉ sau bạc Ag), cơ tính lớn, chống đợc sự ăn mòn của không khí nhờ tính kém

hoạt động hoá học của đồng, tính đàn hồi cao. Tính chất cơ học của đồng phụ thuộc
vào mức độ tinh khiết trong nó. Hợp kim đồng gồm nhiều tạp chất sẽ làm tăng điện
trở suất vì vậy việc sử dụng hợp kim đồng đợc hạn chế, chỉ chế tạo đối với những
chi tiết có yêu cầu cơ khí cao hoặc ở những chi tiết mà điện trở không đóng vai trò
quan trọng. Hợp kim của đồng với cadimi Cd, Al, Sn, Ni, Zn sẽ tăng sức bền khi kéo
và tăng tính chịu nhiệt.
Nh vậy, các u điểm của Cu làm cho nó đợc dùng rộng rãi để làm vật dẫn là:
- Điện trở suất bé, chỉ lớn hơn Ag nhng do Ag đắt tiền hơn nên ít đợc sử
dụng.
- Có sức bền cơ học lớn.

-3-


- Có thể chịu đợc tác dụng của sự ăn mòn (đồng chỉ bị oxi hoá nhiều ở nhiệt
độ cao, còn khi làm việc trong môi trờng có độ ẩm cao Cu bị oxi hoá chậm hơn so
với Fe).
- Dễ gia công: Cán mỏng thành lá, kéo thành sợi
- Dễ hàn, nối
g/m2/h

60
Fe
50

40
W
30
Cu
20

10
Cr
0

700

800

Ni
900

1000

toC

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

-4-


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 thờng 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 lợng tạp chất ấy thì lợng ôxi không quá 0,02%.
Đồng cứng: Có sức bền cao, độ giãn dài bé, rắn và đàn hồi khi uốn.

Đồng mềm: Đợc 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 nh nhau.
Về công dụng thì đồng cứng dùng ở nơi nào cần có sức bền cơ học cao, độ
rắn lớn chịu đợc sự mài mòn còn đồng mềm thì đợc dùng ở nơi nào cần có độ uốn
lớn và sức bền cơ giới không đáng kể.
k

1
2

l
l
Hình 2: Quan hệ giữa ứng suất cơ khí kéo dây dẫn với độ dãn dài tơng đối
1: Dây sản xuất bằng cách kéo nguộn; 2: Dây đã đợc ủ.
Các hợp kim của đồng :
Hợp kim đồng thờng 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 vợt quá 46%
Hợp kim đồng có các tính chất cơ học tốt song đảm bảo các khả năng dẫn

-5-


điện. Do đó đợc ứng dụng trong việc chế tạo các tiếp điểm, khí cụ điện và phụ kiện
lắp đặt.
Bảng 1: Hằng số vật lý và các tính chất hoá học
Đặc tính

Đơn vị đo lờng

Chỉ tiêu

kg/dm3

8,90

mm2/m

0,01748

Dây mềm

-

0,01786

Dây cứng

-

- Trọng lợng riêng ở 20oC
- Điện trở suất ở 20oC

- Hệ số thay đổi của điện trở suất theo nhiệt độ

1/oC

0,00393

W/cm.độ

3,92

cal/cm.s.độ

0,938

(ở 0oC 150oC )
- Nhiệt dẫn suất

- Nhiệt độ nóng chảy

C

1.083

kcal/kg.độ

0,0918

o

- Nhiệt lợng riêng trung bình ở 25oC
- Điểm sôi ở 760mm cột thuỷ ngân

C

2325

1/độ (grd)

16,42.10-6

o

- Hệ số giãn nở dài trung bình ở 20oC
- Nhiệt độ kết tinh lại

o

C

- Môđun đàn hồi, E

200
13.000

- Sức bền đứt khi kéo
Dây mềm

kG/mm2

21

Dây cứng

kG/mm2

45

%

50 (mềm)

- Kéo dài (riêng) ngang khi đứt

2 (cứng)
- Độ cứng Brinell

kG/mm2

Mềm

35 ủ nhiệt

Cứng

95 cứng

-6-


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

Đồng thanh

Đồng thau

1,75.106

1,92. 106

7. 106

Nhiệt dẫn suất [W/cm.oC]

3,9

0,54 ữ 0,43

0,83 ữ 1,17

Nhiệt lợng riêng C [W.s/g.oC]

0,39

Trọng lợng riêng [g/cm3]

8,9

7,4

8,3

Độ cứng Brinell HB [kG/mm2]

35/ 95

80/ 200

40/120

ứng suất kéo đợc kđ

21/45

50/ 85

18/ 50

900 ữ 1200

850 ữ 920

Điện trở suất [cm]

ứng suất cho phép cp [kG/mm2]
Nhiệt độ nóng chảy (oC)

18
1.083

1.3. Nhôm (Al)
Nhôm dẫn điện tốt chỉ sau Ag, Cu, Au, nhôm có điện trở suất = 2,9.10ữ6
cm, nó dẫn nhiệt tốt = 3,12 W/cm.oC, tơng đối nhẹ = 2,7 g/cm3.
Nhôm chịu ăn mòn tốt do có lớp oxit Al2O3 bảo vệ. Nhôm dễ dát mỏng, kéo

dài và tơng đối mềm, có điểm nóng chảy thấp (tnc = 680oC ).
Độ bền cơ học thấp, khó hàn, dễ bị tác dụng với muối nớc, 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,
đờng kính lớn hơn 1,3 lần nhng nó lại nhẹ hơn đồng gần 2 lần); còn các hệ số
giãn nở nhiệt, nhiệt dung, nhiệt lợng 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). Nhợc điểm của nhôm là có độ bền cơ học thấp và khó hàn
so với đồng.
-7-


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

Đơn vị đo

Chỉ tiêu

kg/dm3

2,7

- Điện trở suất ở 20oC

.cm.10-6

2,941

- Điện dẫn suất ở 20oC

-1cm-1.10-6

0,34

1/oC

0,004

W/cm.oC

2,1

(cal/cm.s.độ)

0,503

- Trọng lợng riêng ở 20oC

- Hệ số thay đổi của điện dẫn suất theo
nhiệt độ ở 20oC
- Nhiệt dẫn suất ở 20oC

o

C

657

- Nhiệt lợng riêng trung bình

kcal/kg

0,2259

- Nhiệt lợng nóng chảy tiềm tàn riêng

kcal/kg

93

- Nhiệt độ nóng chảy bình thờng

o

- Điểm sôi ở 760 mm cột thuỷ ngân
- Hệ số dãn nở dài trung bình (20 ữ 100oC)

C

2270

1/oC

23,8.10-6

o

C

7200

- Môđun đàn hồi

kG/mm2

9 mềm

- Sức bền đứt khi kéo

kG/mm2

17 cứng

- Độ giãn dài riêng khi kéo

%

45

- Độ cao tơng đối

%

- Nhiệt độ tái tạo tinh thể

kG/mm

- Độ cứng Brinell

80
2

22

- Hợp kim của nhôm:
Các tạp chất làm giảm tính dẫn điện của nhôm. Nếu trong nhôm có chứa
khoảng 0,5% (Ni, Si, Zn, Fe, Pb) thì điện dẫn suất giảm không quá 2% ữ 3%; nếu
trong nhôm chứa Cu, Ag hay Mg thì điện dẫn suất giảm 5% ữ 10%. Điện dẫn của
nhôm còn giảm mạnh hơn nữa khi tạp chất là Ti, Mn. Trong nhôm kỹ thuật tạp chất
chủ yếu là Fe và Si.
- Hợp kim Aldrey: có khoảng 0,4% Mg, 0,5% Si, 0,3% Fe.

-8-


Điện trở suất = 0,0317 mm2/m, độ bền cơ học gần bằng đồng nhng nhẹ
nh nhôm nguyên chất nên đợc dùng làm đờng dây tải điện trên không có khoảng
cách giữa các cột lớn.
- Nhôm kỹ thuật A, E: có lợng tạp chất nhỏ hơn 0,5%, đợc ủ mềm ở nhiệt
độ từ 330oC đến 370oC đợc dùng làm dây dẫn có điện trở suất nhỏ.
- Nhôm A-97: chứa không quá 0,03% tạp chất
- Nhôm A-999: lợng 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) nh các
loại sơn tẩm
Phân loại theo thành phần hoá học
-VLCĐ hữu cơ: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên nh cao su, xenlulo,
nhóm nhân tạo nh 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 đợc 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 đợc định nghĩa một một hợp chất gồm các

-9-


phân tử đợc 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 lợng
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
Cấp
cách

điện

Nhiệt độ
cho phép
(oC)

Y

90

A

105

E

120

Các vật liệu cách điện chủ yếu trong từng cấp
Giấy, vải sợi, lụa, cao su không đợc tẩm sơn hay ngâm
trong chất cách điện lỏng
Gồm các điện môi cấp Y nhng tẩm sơn hoặc ngâm trong
dầu để giảm tác động hoá già của điện môi
Các loại nhựa hữu cơ có chất phụ gia chịu nhiệt nh: nhựa
hetinac, epoxy, polyeste.
Các vật liệu có chứa các thành phần vơ cơ nh: amiang, vật

B

130

liệu thủy tinh có kết cấu với các vật liệu hữu cơ tẩm bằng
các vật liệu có tính chịu nhiệt nh sợi vải thủy tinh, nhựa
epoxy với các phụ gia

F

150

H

180

C

Trên 180

Các vật liệu mica, sản phẩm từ sợi thủy tinh không lớp đệm
hoặc các lớp đệm bằng vật liệu vơ cơ
Nhựa silic hữu cơ có tính chịu nhiệt đặc biệt cao
Các vật liệu vô cơ không chứa thành phần tẩm hay kết dính
nh: mica, thuỷ tinh, sứ

Polyme có thể phân loại theo nhiều cách. Sau đây là những cách phân loại
thờng gặp:
Phân loại theo nguồn gốc hình thành
- Polyme thiên nhiên: có thể có nguồn gốc thực vật hoặc động vật nh:
xenlulo, caosu, protein, enzym.

- 10 -

- Polyme tổng hợp: đợc sản xuất từ những loại monome bằng phản ứng
trùng ngng, trùng hợp nh các loại polyolefin, polyvinylclorit, nhựa phenolfomandehit, polyamit, v.v
Phân loại theo cấu trúc
Theo cấu trúc phân tử ngời ta phân biệt polyme mạch thẳng, polyme mạch
nhánh, polyme mạng lới và polyme không gian.
Phân loại theo tính chịu nhiệt
- Polyme nhiệt dẻo: thờng là các polyme mạch thẳng. ở loại vật liệu này,
dới tác dụng của lực ở nhiệt độ nhất định, các phân tử có thể trợt lên nhau, có
nghĩa là phân tử cũng đủ năng lợng để thắng lực tơng tác giữa các phân tử. Nói
cách khác, ở nhiệt độ nhất định nào đó vật liệu có thể chảy, trở thành dẻo và dới
nhiệt độ này nó rắn trở lại. Polyme nhiệt dẻo loại vật liệu có giá trị thơng mại quan
trọng nhất hiện nay.
- Polyme nhiệt rắn: là những polyme hay oligome, prepolyme có khối lợng
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 đợc 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) l hỗn hợp của những vật liệu cách điện khác
nhau nh: nhựa, nhựa đờng (bitum), xenlulo, chúng đợc hoá lỏng bằng gia
nhiệt tới nhiệt độ đủ cao, sau đó đợc đông cứng khi làm lạnh nên thờng đợc 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 đợc đông cứng khác

- 11 -


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
Tên
1. Nhựa phenol

ứng dụng
- Nắp đậy cho những khí cụ điện đóng ngắt hạ thế
- Hộp lắp cầu chì
- Hộp nút ấn, hộp đầu nối.
- Hộp công tắc.
- Giá đỡ chổi than

2. Polyvinynlclorit - Cổ góp
- Hộp cho những khí cụ điện đóng cắt bảo vệ.
- ống cách điện
- Dây buộc
3. Polyeste

- Tẩm giấy amiăng để làm cách điện cho những phiến cổ góp.
- Màng mỏng làm cách điện cho động cơ.

4. Xenlulohidrat

- Những lớp cách điện chịu tác dụng mạnh về cơ và nhiệt

5. Sợi thủy tinh
tẩm nhựa xilicon
6. Polyzobutilen

- Dầu cách điện

7. Neopren

- Vỏ bọc dây

2.4. Nhựa cách điện
- Polyetilen (C2H4 )n có độ bền về cơ tốt, chịu đợc axit, kiềm khi nhiệt độ
tăng độ bền cơ lại giảm, dùng làm chất cách điện cho dây cáp (cáp điện thoại, cáp
điện lực).
- Polystirol (C6H8)n có tính cách điện cao, tính hút ẩm thấp, ở nhiệt độ thấp rất
giòn có khuynh hớng tạo ra những vết nứt ở bề mặt, kém bền đối với tác dụng của
dung môi, tính chịu nhiệt không cao.

- 12 -


- Polyvinylclorit (C2H3Cl)n rất bền đối với nớc, kiềm, axit loãng, dầu, xăng
và rợu. 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 đợc axit, kiềm,
không cháy, không hút ẩm, không dính nớc kể cả các loại chất lỏng khác, không
chịu đợc 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 nh sứ, thủy tinh, kim loại thờng 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 nớc, có độ bền cơ thấp, độ bám dính kém, ít chịu đợc dầu và đắt tiền. Sử
dụng làm sơn tẩm, hợp chất cách điện, chất dẻo, sơn phủ.
2.5. Nhựa thiên nhiên
2.5.1. Cánh kiến
Loại nhựa này do một số côn trùng tiết ra trên các cành cây ở các xứ nóng
thuộc vùng nhiệt đới. Ngời ta thu nhặt cánh kiến theo kiểu thủ công, làm sạch bẩn
và nấu chảy. Đây là những lớp dạng vảy cá mỏng và giòn, màu vàng nhạt hoặc màu
nâu. Thành phần chủ yếu của cánh kiến là axit hữu cơ phức tạp. Cánh kiến dễ hòa
trong rợu, cồn nhng không hòa tan trong hydrocacbon.
Cánh kiến có các đặc tính cách điện nh sau: = 3,5; v = 1015 ữ 1016 .cm;
tg = 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 đợc 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 đợc
dung ở dạng sơn dán chế tạo Micanit. Khi không có cánh kiến ngời thay hay bằng
nhựa gliptan và các loại nhựa tổng hợp.

- 13 -