Nghiên cứu kỹ thuật lắp đặt và vận hành cáp trong lưới điện trung áp

LÊ VIỆT PHƯƠNG

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

LÊ VIỆT PHƯƠNG

MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH
CÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KHOÁ 2007– 2009
HÀ NỘI, 2010


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

LÊ VIỆT PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH
CÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP

CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN
MÃ SỐ: 02.06.07

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

HÀ NỘI, 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Tất cả các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng
được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
TÁC GIẢ

Lê Việt Phương


-3-

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................ 9
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC ...................... 13
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC. ........................ 13
1.1.1. Khái quát về cáp ngầm điện lực..................................................... 13
1.1.2. Phân loại cáp ngầm điện lực. ......................................................... 14
1.1.2.1. Theo kết cấu cách điện. ........................................................ 14
1.1.2.2. Theo vật liệu chế tạo lõi cáp. ............................................... 19
1.1.2.3. Theo nhiệm vụ. ..................................................................... 20

1.1.3. Nhận xét. ........................................................................................ 20
1.2. CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA CÁP NGẦM TRUNG ÁP SỬ DỤNG
CÁCH ĐIỆN POLYMER............................................................................ 21
1.2.1. Cấu tạo chung của cáp cách điện bằng polymer ............................ 21
1.2.2. Lõi cáp............................................................................................ 22
1.2.3. Cách điện........................................................................................ 22
1.2.3.1. Polyvinyl Chloride (PVC) .................................................... 23
1.2.3.2. Polyethylene (PE)................................................................. 24
1.2.3.3. Cross-linked PE (XLPE) ...................................................... 25
1.2.4. Vỏ bảo vệ ....................................................................................... 28
1.2.5. Vỏ bảo vệ (protective sheath) ........................................................ 28
1.2.6. Vỏ bọc sắt (armour) ....................................................................... 28
1.2.7. Vỏ che chắn điện (electrical screening) ......................................... 28
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐẶT VÀ QUY ĐỊNH VẬN HÀNH PHỔ
BIẾN HIỆN NAY........................................................................................ 29


-4-

1.3.1. Các phương pháp lắp đặt cáp ngầm phổ biến. ............................... 29
1.3.1.1. Đặt cáp trực tiếp trong đất: ................................................. 29
1.3.1.2. Đặt cáp trong ống (khối cáp, máng cáp): ............................ 29
1.3.1.3. Đặt cáp trong không khí và trong mương cáp xây bê tông: 29
1.3.2. Các quy định vận hành hiện nay. ................................................... 30
1.4. ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ CÁP NGẦM TRONG
LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP TP. HÀ NỘI. ..................................................... 30
1.4.1. Tình hình phát triển cáp ngầm tại Hà Nội...................................... 30
1.4.2. Tình hình sự cố về cáp ngầm trên lưới điện trung thế tại Hà Nội. 33
1.4.2.1. Đào phải cáp chôn ngầm ..................................................... 33
1.4.2.2. Do nổ đầu cáp, hộp nối ........................................................ 34

1.4.2.3. Các sự cố hư hóng cách điện ............................................... 35
1.5. KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ. .............................................................. 37
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH CÁP NGẦM SỬ
DỤNG CÁCH ĐIỆN XLPE TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ............. 38
2.1. CÁC PHƯƠNG THỨC LẮP ĐẶT CÁP NGẦM. ............................... 38
2.1.1. Yêu cầu chung................................................................................ 38
2.1.2. Lựa chọn loại cáp. .......................................................................... 39
2.1.3. Cấu hình lắp đặt cáp ngầm. ............................................................ 40
2.1.3.1. Cáp bố trí 3 pha theo phương thẳng đứng........................... 40
2.1.3.2. Cáp bố trí 3 pha theo phương nằm ngang. .......................... 40
2.1.3.3. Cáp bố trí 3 pha đặt theo hình tam giác. ............................. 41
2.1.4. Phương thức đặt cáp....................................................................... 41
2.1.4.1. Lắp đặt cáp ngầm trực tiếp trong đất. ................................. 42
2.1.4.2. Lắp đặt cáp ngầm trong ống (khối cáp, máng cáp). ............ 45
2.1.4.3. Lắp đặt cáp ngầm trong công trình cáp............................... 46
2.1.5. Lắp đặt hộp nối và đầu cáp. ........................................................... 49


-5-

2.1.6. Nối đất. ........................................................................................... 49
2.1.7. Nhận xét. ........................................................................................ 50
2.2. ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT LẮP ĐẶT ĐẾN QUÁ TRÌNH VẬN
HÀNH CỦA HỆ THỐNG CÁP NGẦM TRUNG ÁP................................ 50
2.2.1. Ảnh hưởng của kỹ thuật lắp đặt đến việc giảm nguy cơ sự cố cho
hệ thống cáp ngầm trong quá trình vận hành. .......................................... 50
2.2.2. Ảnh hưởng của kỹ thuật lắp đặt đến khả năng tải của cáp............. 51
2.2.2.1. Nối đất đảo pha hệ thống cáp ngầm. ................................... 51
2.2.2.2. Phương pháp tính điện áp cảm ứng vỏ cáp. ........................ 53
2.2.2.3. Ảnh hưởng của tổn thất vỏ cáp đến khả năng tải của cáp... 56

2.2.3. Nhận xét. ........................................................................................ 59
2.3. CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA HỆ THỐNG CÁP NGẦM TRONG QUÁ
TRÌNH VẬN HÀNH. .................................................................................. 59
2.3.1. Lý thuyết về chế độ nhiệt. .............................................................. 59
2.3.1.1. Tổn hao nhiệt Pi lõi dẫn do dòng tải .................................... 61
2.3.1.2. Tổn hao điện môi Pd ............................................................. 62
2.3.1.3. Nhiệt trở của các bộ phận cáp. ............................................ 63
2.3.1.4. Độ tăng nhiệt độ do tổn hao điện môi ∆Td ........................... 66
2.3.1.5. Tính nhiệt trở của đất R4 ...................................................... 66
2.3.2. Nhận xét. ........................................................................................ 74
2.4. CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO KHẢ NĂNG TẢI CỦA HỆ THỐNG
CÁP NGẦM. ............................................................................................... 74
2.4.1. Khái quát. Tính hệ số tải. ............................................................... 74
2.4.2. Tăng khả năng tải bằng sử dụng loại cáp có tổn thất vỏ bé. .......... 78
2.4.3. Sử dụng thành phần có nhiệt trở thấp ............................................ 80
2.4.4. Lựa chọn cấu hình bố trí cáp hợp lý............................................... 86
2.4.5. Tăng khả năng thoát nhiệt bằng hệ thống làm mát cưỡng bức ...... 86


-6-

2.5. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ. ............................................................. 88
CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LẮP ĐẶT VÀ VẬN
HÀNH CHO HỆ THỐNG CÁP NGẦM TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG
ÁP CỦA THÀNH PHỐ HÀ NỘI................................................................. 90
3.1. TÍNH TOÁN LẮP ĐẶT VÀ KHẢ NĂNG TẢI CHO HỆ THỐNG
CÁP NGẦM 22KV...................................................................................... 90
3.1.1. Tính toán lắp đặt hệ thống cáp ngầm 22kV. .................................. 91
3.1.1.1. Các thông số đầu vào. .......................................................... 91
3.1.1.2. Kết quả tính toán. ................................................................. 92

3.1.2. Tính toán khả năng tải của hệ thống cáp ngầm 22kV.................... 95
3.1.2.1. Các thông số đầu vào. .......................................................... 95
3.1.2.2. Kết quả tính toán. ................................................................. 96
3.2. TÍNH TOÁN LẮP ĐẶT VÀ KHẢ NĂNG TẢI CHO HỆ THỐNG
CÁP NGẦM 35KV.................................................................................... 100
3.2.1. Tính toán lắp đặt hệ thống cáp ngầm 35kV. ................................ 100
3.2.1.1. Các thông số đầu vào. ........................................................ 100
3.2.1.2. Kết quả tính toán. ............................................................... 101
3.2.2. Tính toán khả năng tải của hệ thống cáp ngầm 35kV.................. 104
3.2.2.1. Các thông số đầu vào. ........................................................ 104
3.2.2.2. Kết quả tính toán. ............................................................... 106
3.3. NHẬN XÉT. ....................................................................................... 109
KẾT LUẬN .................................................................................................. 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 114
PHẦN PHỤ LỤC......................................................................................... 116


-7-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện
Bảng 2.1. Chiều rộng giới hạn của đường cáp ngầm
Bảng 2.2. Khoảng cách nhỏ nhất giữa các cáp trong công trình cáp
Bảng 2.3. Điện áp sinh ra trong vỏ cáp một đầu nối đất
Bảng 2.4. Sự phụ thuộc của nhiệt trở của đất vào các thông số của nó
Bảng 2.5. Đặc tính lý nhiệt của một số đất tự nhiên
Bảng 2.6: So sánh khả năng tải trong trường hợp cấu hình đặt nằm ngang và
tam giác
Bảng 2.7: So sánh khả năng tải trong trường hợp cấu hình đặt nằm ngang và
tam giác

Bảng 2.8: Giới thiệu tổng quát các hệ thống làm mát cáp
Bảng 2.9: Giới thiệu tổng quát các hệ thống làm mát cáp
Bảng 3.1: Các thông số của tuyến cáp sử dụng trong tính toán
Bảng 3.2: Nối đất một đầu đường cáp có hoán vị vỏ
Bảng 3.3: Nối đất hai đầu đường cáp không hoán vị vỏ
Bảng 3.4: Nối đất hai đầu đường cáp có hoán vị vỏ
Bảng 3.5. Các thông số tuyến cáp dùng để tính toán
Bảng 3.6. Các điều kiện về thời tiết và địa hình tại Hà Nội
Bảng 3.7. Tính dòng tải bình thường theo các hệ số k
Bảng 3.8. Các thông số tính toán
Bảng 3.9. Các giá trị nhiệt trở tính toán
Bảng 3.10. Giá trị dòng tải Iz = f(a)
Bảng 3.11. Các thông số tính toán
Bảng 3.12. Giá trị dòng tải Iz = f(h)
Bảng 3.13. Các thông số tính toán


-8-

Bảng 3.14. Giá trị dòng tải Iz = f(ρE)
Bảng 3.15: Các thông số của tuyến cáp sử dụng trong tính toán
Bảng 3.16: Nối đất một đầu đường cáp có hoán vị vỏ
Bảng 3.17: Nối đất hai đầu đường cáp không hoán vị vỏ
Bảng 3.18: Nối đất hai đầu đường cáp có hoán vị vỏ
Bảng 3.19. Các thông số tuyến cáp dùng để tính toán
Bảng 3.20. Các điều kiện về thời tiết và địa hình tại Hà Nội
Bảng 3.21. Tính dòng tải bình thường theo các hệ số k
Bảng 3.22. Các thông số tính toán
Bảng 3.23. Các giá trị nhiệt trở tính toán
Bảng 3.24. Giá trị dòng tải Iz = f(a)

Bảng 3.25. Các thông số tính toán
Bảng 3.26. Giá trị dòng tải Iz = f(h)
Bảng 3.27. Các thông số tính toán
Bảng 3.28. Giá trị dòng tải Iz = f(ρE)


-9-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cáp một lõi có vỏ bọc
Hình 1.2. Mặt cắt cáp 3 pha ba lõi
Hình 1.3. Cáp khô một lõi điện áp cách điện XLPE:
Hình 1.4. Cấu trúc của Polyvinyl chloride (PVC)
Hình 1.5. Cấu trúc của Polyethyethyle (PE)
Hình 1.6. Cấu trúc hoá học của XLPE liên kết bằng peroxide
Hình 1.7. Cấu trúc hoá học của XLPE liên kết bằng chùm tia điện tử
Hình 1.8. Cấu trúc hoá học của XLPE liên kết bằng cầu nối siloxane
Hình 1.9. Biểu đồ phát triển cáp ngầm trung áp trên lưới điện thành phố Hà
Nội
Hình 1.10. Biểu đồ phát triển giữa cáp trên lưới điện trung thế Hà Nội
Hình 1.11. Biểu đồ phát triển cáp ngầm theo điện áp trên lưới điện TP Hà Nội
Hình 1.12. So sánh tình hình sự cố giữa cáp trên lưới điện TP. Hà Nội
Hình 1.13. Phân loại các dạng sự cố cáp ngầm trên lưới điện TP. Hà Nội
Hình 1.14. Sự cố đánh thủng cách điện đầu cáp
Hình 1.15. Sự cố cháy cáp
Hình 1.16. Sự cố cháy cáp
Hình 2.1. Hệ thống nối đất một điểm
Hình 2.2. Hệ thống nối đất đảo vỏ
Hình 2.3. Mạch tương đương dòng nhiệt trong cáp ngầm
Hình 2.4. Nhiệt trở của cáp một sợi

Hình 2.5. Nhiệt trở giả tưởng của các loại cáp thông dụng
Hình 2.6. Nhiệt độ của đất trong năm ở các độ sâu khác nhau
Hình 2.7. Nhiệt trở suất của đất trong năm
Hình 2.8. Trường nhiệt độ của cáp đường kính d=2r, độ chôn sâu h.


- 10 -

Hình 2.9. Nhiệt trở của cáp khi vận hành liên tục (hệ số tải kn = 1) không xét
đến hiệu ứng đất bị khô và với ρE = const.
Hình 3.1: Trường hợp bố trí cáp nối đất 1 đầu có hoán vị vỏ cáp
Hình 3.2: Trường hợp bố trí cáp nối đất 2 đầu không hoán vị vỏ cáp
Hình 3.3: Trường hợp bố trí cáp nối đất 2 đầu có hoán vị vỏ cáp
Hình 3.4. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các sợi cáp của một mạch cáp đến
khả năng tải
Hình 3.5. Ảnh hưởng của chiều sâu chôn cáp đến khả năng tải
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt trở suất đất đến khả năng tải
Hình 3.7: Trường hợp bố trí cáp nối đất 1 đầu có hoán vị vỏ cáp
Hình 3.8: Trường hợp bố trí cáp nối đất 2 đầu không hoán vị vỏ cáp
Hình 3.9: Trường hợp bố trí cáp nối đất 2 đầu có hoán vị vỏ cáp
Hình 3.10. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các sợi cáp của một mạch cáp
đến khả năng tải
Hình 3.11. Ảnh hưởng của chiều sâu chôn cáp đến khả năng tải
Hình 3.12. Ảnh hưởng của nhiệt trở suất đất đến khả năng tải


- 11 -

MỞ ĐẦU
Cáp điện lực đã được sử dụng từ rất lâu trên thế giới nhất là ở các nước

công nghiệp phát triển và đến cuối thế kỷ XX cáp điện lực đã được sử dụng
tại Việt Nam. Đặc biệt trong khu vực nội thành của các thành phố lớn tại Việt
Nam, việc ngầm hoá lưới điện phân phối ngày càng trở nên bức thiết.
Cùng với tốc độ đô thị hoá, cáp điện lực chôn ngầm dưới đất đã được
sử dụng ngày càng nhiều để giảm thiểu vi phạm an toàn hành lang lưới điện
cao áp, đảm bảo mỹ quan đô thị và tiết kiệm quỹ đất.
Chính vì vậy trong hệ thống lưới điện trung áp hiện tại, cáp ngầm đã
trở thành một phần tử quan trọng, có ảnh hưởng rất lớn đến việc truyền tải
công suất của hệ thống, ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cũng như
chất lượng điện năng cung ứng cho các hộ phụ tải.
Tuy nhiên hàng năm số vụ sự cố về cáp vẫn thường xuyên xảy ra làm
gián đoạn cung ứng điện ảnh hưởng đến sản xuất, sinh hoạt do thời gian khắc
phục sự cố về cáp tương đối dài. Trong các nguyên nhân dẫn đến sự cố tuyến
cáp có nguyên nhân liên quan đến các vấn đề về lắp đặt và vận hành tuyến
cáp ngầm.
Do vậy để hạn chế các vụ sự cố xảy ra do các nguyên nhân này, việc
nghiên cứu, đề xuất kỹ thuật lắp đặt và vận hành cáp là cần thiết nhằm tăng khả
năng truyền tải, giảm sự cố tuyến cáp cũng như kéo dài tuổi thọ của cáp điện.
Nội dung luận văn được trình bày với các nội dung sau:
1. Tổng quan về cáp ngầm điện lực.
2. Kỹ thuật lắp đặt và vận hành cáp ngầm sử dụng cách điện XLPE
trong lưới điện trung áp.
3. Áp dụng tính toán thiết kế lắp đặt và vận hành hệ thống cáp ngầm
trong lưới điện trung áp của thành phố Hà Nội.


- 12 -

Để hoàn thành bản luận văn này tôi vô cùng biết ơn sự hướng dẫn, chỉ
bảo và giúp đỡ tận tình của PGS. TS. Nguyễn Đình Thắng, bộ môn Hệ

thống điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi cũng xin bày tỏ sự biết
ơn của mình tới các đồng nghiệp trong Công ty Điện lực TP. Hà Nội đã chỉ
bảo giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho bản luận văn này.
Do tài liệu tham khảo cũng như thời gian và khả năng nghiên cứu còn
nhiều hạn chế nên chắc chắn bản luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu
sót nhất định. Tôi kính mong nhận được sự bổ sung, góp ý hoàn thiện nội
dung từ các thầy cô giáo, các chuyên gia, bạn bè đồng nghiệp cho bản luận
văn này.
Hà Nội, ngày 30 tháng 3 năm 2010
HỌC VIÊN
Lê Việt Phương


- 13 -

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC.
1.1.1. 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 polymer để ngăn chặn các tác dụng bên ngoài đối với cách điện như
chênh lệch nhiệt 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.
D©y dÉn (lâi)

Emax
Vá bäc

Emax

Hình 1.1. Cáp một lõi có vỏ bọc

C¸ch ®iÖn

Emax

Emax

Vỏ bọc kim loại thường sử dụng bằng chì hoặc 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 sợi thép hoặc băng thép,
một lớp sợi đay tẩm bi tum. 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 polymer thường sử dụng nhựa PVC.
Lớp vỏ bọc kim loại bảo vệ cáp và cách điện của cáp đối với các tác
động bên ngoài, còn lớp sợi đay bảo vệ vỏ bọc chống ăn mòn.
Tất cả các phần của cáp và bản thân phải có độ mềm dẻo cần thiết để có
thể cuộn quanh những tang trống, dễ dàng trong vận chuyển, bảo quản và uốn


- 14 -

theo địa hình khi thi công. Chính vì thế lõi của cáp phải là dây xoắn từ nhiều
dây nhỏ.
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 bởi đối với cách điện của các đường cáp
cao 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 - 1000 m) nối với
nhau bởi những đầu nối cáp, mà những điểm nối này (măng sông) được thực
hiện tại hiện trường công nghệ của chúng thường kém hơn nhiều so với nếu
thực hiện trong nhà máy chế tạo cáp.
1.1.2. Phân loại cáp ngầm điện lực.
1.1.2.1. Theo kết cấu cách điện.
Tuỳ theo kết cấu cách điện, cáp được phân 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


- 15 -

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 một 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
cáp chất tẩm không bị rỉ ra ngoài do đó không tạo nên các khoảng trống bên
trong. Cáp tẩm bằng loại hỗn hợp không chảy có thể lắp đặt với chênh lệch độ
cao giữa hai đầu cáp đến 300m mà không tạo nên nguy hiểm chảy chất tẩm
xuống đầu phía thấp và không xuất hiện khoảng trống cách điện không được
tẩm 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 giãn nở nhiệt của cách điện khác với của vỏ chì, khi phụ tải tăng, cáp bị
phát nóng mạnh, vỏ chì bị căng phồng ra, khi phụ tải giảm cáp nguội đi, vỏ co
lại ít hơn so với cách điện... do đó hình thành các lỗ trống chứa đầy khí thoát 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 35kV, còn ở điện áp cao
hơn phải dùng các loại cáp đổ dầu, cáp dùng khí nén hoặc cáp XLPE.


- 16 -

Ngoài ra loại cáp tẩm dầu, các đầu đấu nối, đầu cuối của cáp thường bị
cháy dầu nên loại cáp XLPE được sử dụng càng ngày càng nhiều
b) Loại cáp đổ dầu:
Cáp đổ dầu dùng ở điện áp cao (110kV 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 loại cáp dưới 35kV do đó bề mặt của lõi cáp bằng
biện pháp này trở nên nhẵn hơn. Ngoài ra lõi cáp còn 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 (0,4-0,5 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 fhể 10 15 kV/mm nhng 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.


- 17 -

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 khi nén truyền vào cách điện của lõi nên các bọt khí
cũng có áp suất cao và chỉ bị ion hóa khi cường độ trường lớn. Thường khi
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 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 ba 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 lóng
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 4GVA


- 18 -

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 ba 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 điện 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 5.10-2 Ωm).
Vật liệu cách điện của cáp là polymer. Polymer được tổng hợp từ các
phân tử monomer. Phần lớn các vật liệu cách điện hiện đại đều được sản xuất
bằng phương pháp tổng hợp. Về phương diện kỹ thuật, các polymer quan
trọng được phân loại thành:
Polymer

nhiệt

dẻo

(Polyvinylchloride

PVC,

Polyethylen

PE,

Polypropylen PP, Polyamide PA...)
Elastomer (cao su tự nhiên NR, cao su butyl IIR, Cao su EthylenPropylene EPR, cao su Silicone SiK)
Polymer nhiệt cứng (nhựa epoxy EP, nhựa polyurethane PUR).


- 19 -

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 áp...) nhiều hơn.
Loại cáp trung áp cách điện polymer 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 đùn 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.
1.1.2.2. Theo vật liệu chế tạo lõi cáp.

Theo vật liệu chế tạo 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 nhôm có tính dẫn điện kém nên phải sử dụng cáp có tiết diện
lớn hơn so với cáp đồng, đồng thời cáp ruột nhôm cũng không có tính dẫn
nhiệt tốt. Nhôm có khối lượng chỉ bằng một phần ba khối lượng của đồng nên
có thể truyền tải lượng công suất lớn gấp đôi đồng cùng trọng lượng.


- 20 -

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.
Bảng 1.1 dưới đây trình bày tính chất cơ bản của vật liệu lõi dẫn điện.
Bảng 1.1. Tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện
Điện trở suất (ρ)

Mật độ (σ)

Giá cho

10-6Ω.cm

g/cm3

một pound ($)

Đồng đỏ

1.72

8.9

0.43

Nhôm

2.82

2.7

0.31

Vật liệu

Từ bảng 1.1 có thể thấy rằng đồng vẫn chiếm ưu thế hơn nhôm để là 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.
1.1.2.3. 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 háo dầu, …)
1.1.3. 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 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.


- 21 -

- 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
polymer ruột đồng.
1.2. CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA CÁP NGẦM TRUNG ÁP SỬ DỤNG
CÁCH ĐIỆN POLYMER.
1.2.1. Cấu tạo chung của cáp cách điện bằng polymer
Loại cáp khô dùng cách điện polymer XLPE (polyethylen mạch vòng)
dùng cho mục đích truyền tải được nghiên cứu vào những năm 60 của thế kỷ
XX. Loại cáp này gồm lõi cáp bằng đồng hoặc nhôm bện với cách điện ép và
được bảo vệ bởi lớp vỏ kim loại và lớp bọc chống ăn mòn.
C¸ch ®iÖn

®ai

VËt liÖu ®én

Vá gi¸p bäc

Hình 1.2. Mặt cắt cáp 3 pha ba lõi


- 22 -

Hình 1.3. Cáp khô một lõi điện áp cách điện XLPE:
1-Lõi đồng; 2-Lớp bán dẫn điện trong; 3-Cách điện XLPE; 4-Lớp bán dẫn điện ngoài;
5-Lớp bán dẫn; 6-Băng; 7-Màn che chắn bằng dây đồng; 8-Băng đồng; 9-Lớp vỏ
trong bằng cao su không lưu hoá; 10-Lớp vỏ ngoài cùng bằng PVC.

Đối với loại cáp sử dụng dưới nước (cáp vượt biển) còn có thêm một
lớp vỏ chì và lớp bọc bên ngoài bằng lưới thép.
1.2.2. Lõi cáp
Lõi cáp thường được làm bằng nhiều sợi đồng tròn được bện, nén lại
với nhau. Loại lõi dẫn này bao gồm sự kết hợp của nhiều múi dạng nén, cách
điện với nhau bằng vật liệu cách điện. Các lõi cáp có tiết diện lớn hơn
1000mm2, được chế tạo bằng các thanh dẫn hình rẻ quạt để giảm điện trở đối
với dòng điện xoay chiều và hiệu ứng vỏ.
1.2.3. Cách điện
Tăng cường độ điện trường làm việc của cáp đòi hỏi phải có cách điện
chất lượng rất cao. Do đó yêu cầu các vật liệu sử dụng cho loại cáp cách điện
chất dẻo phải đặc biệt tinh khiết. Đảm bảo độ sạch phải được chú trọng ngay
từ khâu sản xuất vật liệu thô.
Cáp điện lực sử dụng nhiều vật liệu và cấu tạo cũng đa dạng, được chế
tạo theo yêu cầu lắp đặt sử dụng. Trong luận văn này sẽ trình bày những vấn
đề chung nhất của cáp điện lực với cách điện bằng vật liệu polymer trong lắp

đặt và vận hành.
Khó khăn trong chế tạo cáp cách điện chất dẻo là không được có bọt
khí trong cách điện, do vậy chúng được sử dụng ở cấp điện áp thấp hơn, tuy
rằng đã có cả cáp cách điện polymer dùng cho cấp điện áp trên 110kV. Giới


- 23 -

hạn chịu nhiệt của cáp PE là 700C, quá nhiệt độ thì chất dẻo xung quanh lõi
dẫn điện bị chảy và tạo ra các ứng suất cao. Có thể nâng cao giới hạn nhiệt độ
lên đến 900C bằng các chất dẻo XLPE.
Vật liệu polymer để làm cách điện và vỏ cáp chủ yếu các loại sau:
1.2.3.1. Polyvinyl Chloride (PVC)
Polyvinyl Chloride được sản xuất bằng phương pháp clorua hoá
ethylen. Chúng được chuyển hoá thành Polyvinyl Chloride bằng thể nhũ
tương (emulssion - E-PVC), bằng thể huyền phù (suspension - S-PVC) hoặc
polyme hoá toàn bộ (M-PVC).
H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

H

Cl H

Cl H

n

Hình 1.4. Cấu trúc của Polyvinyl chloride (PVC)
PVC nguyên chất có dạng bột màu trắng. Khi sử dụng thường pha thêm
các phụ gia, chất tạo màu để đạt được hình thái và tính chất theo yêu cầu.
Nhựa PVC dùng cho cả cách điện cáp và làm vỏ bảo vệ của cáp, chúng khác
nhau về độ đàn hồi, nhiệt độ chảy, độ cách điện.
Tỷ trọng riêng của PVC là 1,3-1,4; nhiệt độ nóng chảy là 160-1900C; có
điện trở suất 1013Ω.cm ở 200C, loại đặc biệt có điện trở suất 1015Ω.cm. Chúng
chịu ẩm tốt, có đặc tính cơ và điện tốt, bền với a xit, kiềm, dầu khoáng và xăng.
PVC không cháy, vỏ cách điện tiếp xúc trực tiếp với lửa sẽ bị cháy xém nhưng
không cháy lan và sẽ tắt khi không còn ngọn lửa. Khi chịu tác động của nhiệt
và ánh sáng thì nhựa PVC bị lão hoá. Khi nhiệt độ tăng cao thì độ cách điện
của nhựa PVC sẽ kém đi, còn khi nhiệt độ quá thấp thì nhựa mất tính đàn hồi.
Do tổn hao điện môi lớn (tgδ=7.10-2 ở 90oC so với 8.10-4 của PE), nhựa
PVC chủ yếu dùng làm cách điện cho cáp và dây dẫn hạ áp từ 1kV trở xuống,
làm vỏ giáp cho cáp điện áp tới 10kV.

- 24 -

1.2.3.2. Polyethylene (PE)
PE là vật liệu cao phân tử, cấu trúc mạch thẳng. Vật liệu này có tính
chất cách điện rất tốt được sử dụng trong công nghệ sản xuất cáp lực dưới cả
hai dạng mạch thẳng (polyethylene nhiệt dẻo) và mạch ngang (cross-linked
polyethylene XLPE). Công nghiệp hoá chất cung cấp rất nhiều loại
polyethylene nhưng chỉ những loại sản xuất đặc biệt tinh khiết, và được ổn
định mới được dùng trong công nghệ sản xuất cáp điện.
H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

n

Hình 1.5. Cấu trúc của Polyethyethyle (PE)
PE là loại vật liệu cách điện rất tốt, có nhiều ưu điểm so với các loại
cách điện chất dẻo khác như độ bền điện cao, hằng số điện môi tgδ thấp, mật
độ thấp, mềm và chịu ẩm khá tốt. Trong số các loại vật liệu polymer hiện nay
thì chỉ có polyethylene có thể sản suất với độ tinh khiết cao hơn cả, chứa ít tạp
chất nhất nên có thể sử dụng làm cách điện cho cấp điện áp cao.
PE được dùng làm cách điện cho cáp điện 5kV ở Hoa Kỳ vào năm
1944. Hiện nay đã xuất hiện các loại cáp cao áp và siêu cao áp đến 420kV
cách điện bằng polyethylene.
PE là vật liệu dạng rắn màu trắng, một trong những vật liệu polymer
nhẹ nhất. Trong công nghệ sản xuất vật liệu cách điện từ PE người ta sử dụng
hai phương pháp tạo áp lực: dùng áp lực cao cỡ 1000 - 2000at và dùng áp lực
thấp cỡ 3 - 4at. Sản phẩm cách điện PE từ 2 phương pháp này đều có thành
phần hoá học như nhau nhưng có tính chất khác nhau.
Loại áp lực thấp kém đàn hồi hơn (cứng hơn) nhưng chịu tác động xăng
dầu tốt hơn, tỷ trọng riêng của chúng là 0,94-0,96; nhiệt độ nóng chảy 1301400C. PE áp lực thấp đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của cách điện và vỏ