Nghiên cứu quy trình lắp đặt và khả năng tải điện của cáp trung áp

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

NGUYỄN ĐỨC KHÁNG

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH LẮP ĐẶT
VÀ KHẢ NĂNG TẢI ĐIỆN CỦA CÁP TRUNG ÁP
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

Hà Nội - Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN

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 chưa được ai công bố

Tác giả

Nguyễn Đức Kháng


CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TẠO CÁP ĐIỆN TRUNG ÁP ................ 3
1.1. Vật liệu dẫn điện trong cáp điện. ........................................................................... 4
1.1.1.Yêu cầu kỹ thuật. .................................................................................................... 4

1.1.2.Đồng (Cu). .............................................................................................................. 4
1.2. Vật liệu cách điện trong cáp điện. ........................................................................ 10
1.2.1.Phân loại vật liệu cách điện. .................................................................................. 10
1.2.2.Vật liệu polyme. .................................................................................................... 10
1.2.3. Hỗn hợp cách điện. .............................................................................................. 13
1.2.4. Nhựa cách điện .................................................................................................... 14
1.2.5. Nhựa thiên nhiên. ................................................................................................. 15
1.2.5.1. Cánh kiến. .......................................................................................... 15
1.2.5.2.Nhựa thông (colofan). .......................................................................... 17
1.2.5.3.Nhựa côpan ......................................................................................... 17
1.2.5.4. Nhựa đường ........................................................................................ 18
1.3. Giới thiệu chung vể cáp ngầm điện lực .............................................................. 19
1.3.1. Khái quát về cáp ngầm điện lực ......................................................................... 19
1.3.2. Phân loại cáp ngầm điện lực ............................................................................... 21
1.3.2.1. Theo kết cấu cách điện ........................................................................ 21
1.3.2.2.Theo vật liệu chế tạo lõi cáp ................................................................. 25
1.3.2.3.Theo nhiệm vụ...................................................................................... 26
1.3.3. Nhận xét ...................................................................................................... 26
1.4. Cấu tạo cáp cách điện polyme ............................................................................ 27
1.4.1. Cấu tạo chung ..................................................................................................... 27


1.4.2. Các đặc tính của cáp ........................................................................................... 33
1.4.2.1. Khả năng tải của cáp .......................................................................... 33
1.4.2.2. Điện áp định mức ................................................................................ 35
1.4.2.3. Dòng ngắn mạch định mức .................................................................. 36
1.4.2.4. Lựa chọn cáp ...................................................................................... 37
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH LẮP ĐẶT CÁP .................................... 38
2.1. Yêu cầu chung ....................................................................................................... 38
2.2.Lựa chọn phương thức đặt cáp ............................................................................. 40

2.3.Lựa chọn loại cáp ................................................................................................... 41
2.4. Lắp đặt cáp. ........................................................................................................... 44
2.4.1. Đặt cáp trong đất............................................................................................ 46
2.4.2.Đặt cáp trong khối cáp và máng cáp................................................................ 50
2.4.3. Nối đất ........................................................................................................... 51
2.5. Nhận xét ................................................................................................................ 53
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TẢI CỦA CÁP TRUNG ÁP ............. 55
3.1. Phân bố điện trường – Từ trường cáp điện ...................................................... 55
3.1.1. Điện trở trong cáp điện ....................................................................................... 55
3.1.2. Điện trường trong cáp điện ................................................................................. 55
3.1.2.1. Điện trường trong cách điện một lớp ................................................... 55
3.1.2.2 Điện trường trong cách điện có nhiều lớp ............................................. 57
3.1.2.3. Điện trường trong cách điện phân chia bằng màn chắn ........................ 59
3.1.2.4.Độ từ cảm và điện kháng của đường dây ............................................... 62
3.1.2.4.1.Tự cảm ..................................................................................................... 62


3.1.2.4.2. Hỗ cảm ................................................................................................... 63
3.1.2.4.3. Độ từ cảm và điện kháng của dây dẫn ................................................... 63
3.2. Dung dẫn của đường dây .................................................................................... 65
3.2.1. Cường độ điện trường .................................................................................. 65
3.2.2. Điện dung của cáp đơn pha .......................................................................... 65
3.3. Xác định hỗ cảm giữa các dây dẫn ..................................................................... 67
3.4. Nhận xét ................................................................................................................ 69
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA CÁP NGẦM TRUNG
ÁP CÁCH ĐIỆN XLPE......................................................................................... 71
4.1. Giới thiệu về phần mềm CYMCAP ...................................................................... 71
4.1.1. Tổng quan về CYMCAP ................................................................................ 71
4.1.2. Giao diện của CYMCAP (GUI) ..................................................................... 71
4.3.Tính khả năng mang dòng của cáp ngầm trung áp cách điện XLPE theo thông

số của Nhà sản xuất ............................................................................................... 78
4.3.2. Trường hợp: Ba pha đặt trong ống, bố trí cấu hình nằm ngang ....................... 84
4.3.3. Trường hợp: Ba pha chôn trực tiếp, bố trí cấu hình tam giác .......................... 86
4.3.4. Trường hợp: Cáp 3 lõi, ba pha chôn trực tiếp ................................................. 87
4.3.5. Trường hợp: Cáp 3 lõi, ba pha đặt trong ống .................................................. 88
4.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của môi trường lắp đặt đến khả năng mang tải của cáp
ngầm ....................................................................................................................... 90
4.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt trở suất của đất đến khả năng mang dòng của cáp ............... 90
4.4.1. Ả/h của nhiệt độ môi trường lắp đặt đến khả năng mang dòng của cáp ................. 91
4.4.3. Ảnh hưởng của độ sâu chôn cáp đến khả năng mang dòng của cáp ...................... 92
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 93


Những đóng góp của luận văn .................................................................................... 95
1.Quy trình lắp lắp đặt cáp. ...................................................................................... 95
2. Phân bố dòng điện trên hệ thống cáp điện. ........................................................... 95
3. Tính toán khả năng tải của cáp điện trung áp. ...................................................... 96
PHỤ LỤC 2: ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT RIÊNG ........................................................ 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 107


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1: Quan hệ giữa tốc độ ôxi hoá với nhiệt độ của sắt, volfram, đồng, crôm,
niken (trong không khí)
Hình 2: Quan hệ giữa ứng suất cơ khí kéo dây dẫn với độ dãn dài tương đối 1: Dây
sản xuất bằng cách kéo nguộn; 2: Dây đã được ủ.
Hình 3: Quan hệ ε và tg δ theo nhiệt độ khí f = 50 Hz của Colofan
Hình 4: Quan hệ tg δ = f(t°) ở tần số 50 Hz đối với nhựa đường
БH - V: đường 1;  : đường

Hình 5: Cáp một lõi có vỏ bọc
Hình 6: Cấu tạo cáp điện ba pha
Hình 7: Phân bổ điện thế khi có lớp bán dẫn
Hình 8: Cáp điện một lõi 0,6/1(1,2)kV cách điện XLPE
Hình 9: Cáp điện ba lõi 0,6/1(1,2)kV cách điện XLPE
Hình 10: Cáp điện một lõi 3,6/24 kV cách điện XLPE
Hình 11: Cáp điện ba lõi 3,6/24 kV cách điện XLPE
Hình 1.12: Cáp điện hạ thế vặn xoắn trên không ba lõi
Hình 13: Cáp điện hạ 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 cáo elbow
Hình 16. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến khả năng tải của cáp
Hình 17: Chiều dài cách điện của cáp ba pha có đai
Hình18: Điện trường trong cáp cách điện một lớp
Hình 19: Điện trường trong cách điện nhiều lớp
Hình 20: Điện trường trong cách điện phân chia bằng màn chắn
Hình 21: Điện dung của các loại cáp khác nhau.
Hình 22: Giao diện chính của phần mềm CYMCAP
Hình 23: Các thư viện trong cửa sổ Navigator
Hình 24: Các kiểu lắp đặt của CYMCAP


Hình 25: Các thư viện trong cửa sổ Navigator
Hình 26 Cấu trúc của cáp LS Vina Cables
Hình 27: Cấu trúc của cáp LS Vina Cables
Hình 28: Cáp đơn pha 24kV thiết lập bằng CYMCAP
Hình 29: Cáp 3 lõi 24kV thiết lập bằng CYMCAP
Hình 30: Cáp 3 pha chôn trực tiếp, bố trí cấu hình ngang
Hình 31: Kết quả tính toán cáp 3 pha chôn trực tiếp, cấu hình ngang
Khả năng mang dòng do nhà sản xuất cung cấp, dòng điện tính toán

Hình 32: Nhiệt độ của lõi dẫn theo đồ thị phụ tải
Hình 33: Cáp 3 pha đặt trong ống, bố trí nằm ngang
Hình 34: Kết quả tính toán cáp 3 pha đặt trong ống, cấu hình ngang
Hình 35: Nhiệt độ của lõi dẫn theo đồ thị phụ tải
Hình 36: Cáp 3 pha đặt chôn trực tiếp, cấu hình tam giác
Hình 37: Kết quả tính toán cáp 3 pha chôn trực tiếp, cấu hình tam giác
Kết quả tính toán cho thấy, cùng một loại cáp, cùng một điều kiện lắp
Hình 38: Cáp 3 pha 3 lõi cấu hình chôn trực tiếp
Hình 39: Kết quả tính toán cáp 3 pha, 3 lõi chôn trực tiếp
Hình 40: Cáp 3 pha 3 lõi cấu hình đặt trong ống
Hình 41: Kết quả tính toán cáp 3 pha, 3 lõi đặt trong ống


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 và hóa 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 nhựa tổng hợp điển hình
Bảng 7: Nhiệt độ hoá dẻo của nhựa đường
Bảng 8: Nhiệt độ quá tải sự cố của cáp cách điện cao su
Bảng 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 cua cáp bện ba lõi vỏ sắt
Bảng 13: Hằng số điện môi một số vật liệu cách điện
Bảng 14: Thông số kết cấu cáp đơn1sợi theo Nhà sản xuất
Bảng 15: Thông số kết cấu cáp 3 lõi theo Nhà sản xuất
Bảng 16: Thông số lắp đặt, điều kiện mang tải theo Nhà sản xuất

Bảng 17: Khả năng mang dòng của cáp 240mm2, chôn trực tiếp
Bảng 18: Khả năng mang dòng của cáp 240mm2, đặt trong ống
Bảng 19: Ảnh hưởng của nhiệt trở suất đến khả năng mang tải của cáp
Bảng 20: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường lắp đặt đến khả năng
mang tải của cáp
Bảng 21: Ảnh hưởng của độ sâu lắp đặt đến khả năng mang tải của cáp.

1


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các đô thị hiện nay, mật độ phụ tải điện ngày càng
cao gây sức ép lớn đến việc cung cấp điện. Hệ thống cung cấp điện ngoài yếu tố kỹ
thuật còn phải đảm bảo yếu các tố mỹ quan, cảnh quan đô thị không chỉ trong các
toà nhà, các đường dây trên không trong thành phố đã và đang được thay thế bằng
hệ thống cáp ngầm tại mọi cấp điện áp. Việc ứng dụng cáp điện ngày nay trở nên
phổ biến và là yêu cầu bắt buộc đối với tất cả các công trình xây dựng mới cũng
như cải tạo.
Để đáp ứng được nhu cầu của xã hội, ngày càng nhiều chủng loại cáp ra đời
đáp ứng các yêu cầu của người sử dụng. Cùng với đó đòi hỏi người thiết kế phải
quan tâm đến các đặc điểm riêng biệt của từng loại cáp nhằm đạt được ứng dụng tốt
nhất trong công trình.
Với mật độ phụ tải cao, việc sử dụng cáp điện có tiết diện lớn gây không ít khó
khăn trong việc thi công cũng như vận chuyển. Không dừng ở đó, với điều kiện
không gian hạn chế và thi công thủ công bằng sức người việc sử dụng cáp ba pha ba
dây (với cáp trung, cao thế), ba pha bốn dây (với cáp hạ thế) trở nên không khả thi
trong nhiều trường hợp. Từ yêu cầu thực tế cho thấy, việc nghiên cứu lắp đặt cáp và
tính toán khả năng tải điện của cáp trung áp là cần thiết. Do mỗi loại cáp có các đặc
điểm riêng biệt của mình, khi sử dụng cáp điện trung áp cũng đòi hỏi người thiết kế
phải quan tâm và giải quyết một số yêu cầu kỹ thuật trong quá trình sử dụng.

- Để truyền tải dòng điện lớn cần sử dụng hệ thống nhiều cáp điện song song.

Trong quá trình vận hành xảy ra trường hợp dòng điện trên các sợi cáp không bằng
nhau dẫn đến quá tải trên một số sợi cáp có dòng điện lớn, gây già hóa và hư hỏng
cách điện và cũng là nguyên nhân gây nên nhiều sự cố cháy nổ.
- Để bảo vệ được tác động cơ học yêu cầu cáp điện phải có lớp vỏ giáp cứng

chắc bảo vệ. Lớp giáp bảo vệ cáp đơn pha, 3 pha phải được chế tạo từ các vật liệu
phi từ tính, xong dưới tác dụng của điện trường do dòng điện của bản thân sợi cáp
cũng như các sợi cáp của pha khác đã cảm ứng nên một điện áp trên vỏ giáp bảo vệ
này. Trong quá trình vận hành, điện áp cảm ứng này gây mất an toàn cho người vận

2


hành cũng như có thể phát sinh phóng điện khi có giá trị đủ lớn. Việc hạn chế cũng
như khống chế được điện áp cảm ứng này trở thành yêu cầu bắt buộc đối với việc
ứng dụng cáp điện đơn pha trong các công trình điện.
- Vì vậy, ngay trong quá trình thiết kế, thi công cũng như vận hành lâu dài các

tuyến cáp điện cần liên tục quan sát cũng như kiểm tra nhằm đạt được hiệu quả kinh
tế cao nhất.
- Với các lý do trên, việc nghiên cứu của đề tài là cần thiết.
- Để hoàn thành bản luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và

sâu sắc nhất tới PGS.TS Nguyễn Đình Thắng - Đại học Bách Khoa Hà Nội, người
đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
- Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện,

những người đã truyền đạt, trang bị cho chúng tôi kinh nghiệm, kiến thức nền tảng

vững chắc trong suốt khóa học vừa qua.
- Do tài liệu tham khảo cũng như thời gian và khả năng nghiên cứu còn nhiều

hạn chế, bản luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong
nhận được sự bổ sung, góp ý hoàn thiện nội dung từ các thầy, các chuyên gia và bạn
bè đồng nghiệp cho bản luận văn này.

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2014
HỌC VIÊN

Nguyễn Đức Kháng

3


CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TẠO CÁP ĐIỆN TRUNG ÁP
1.1. Vật liệu dẫn điện trong cáp điện.
1.1.1.Yêu cầu kỹ thuật.
- Vật liệu dẫn điện phải đảm bảo khả năng truyền tải dòng công suất một cách

kinh tế và hiệu quả. Việc lựa chọn vật liệu dẫn điện, kích thước phải thoả mãn một
số điều kiện:
- Khả năng mang tải
- Phù hợp với cấp điện áp
- Tổn thất thấp
- Tính mềm dẻo, khả năng chịu uốn tốt
- Thoả mãn các điều kiện kinh tế
- Khả năng thay thế
- Đặc tính hoá học
- Thường 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.
1.1.2.Đồng (Cu).
Đồng có cấu trúc tinh thể là loại lập phương diện tâm. Điện dẫn suất rất cao
(chỉ sau bạc Ag), cơ tính lớn, chống được 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 được 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.
- Như vậy, các ưu điểm của Cu làm cho nó được dùng rộng rãi để làm vật dẫn

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

dụng
- Có sức bền cơ học lớn.

4


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

độ cao, còn khi làm việc trong môi trường có độ ẩm cao Cu bị oxi hoá chậm
hơn so với Fe).
- Dễ gia công: Cán mỏng thành lá, kéo thành sợi...
- Dễ hàn, nối ...

Hình 1: Quan hệ giữa tốc độ ôxi hoá với nhiệt độ của sắt, volfram,

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
chừng đó các chất Ni, Sn, AI thì có thể giảm đến 25% - 40%; còn nếu có tạp chất
Ba, As, p, Si thì có thể đến 55%. Vì vậy để làm vật dẫn thường chỉ dùng đồng điện
phân chứa 99,9% Cu; nếu có ôxi thì đồng sẽ bị giòn.

5


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

quá 0,05% tạp chất và trong lượng tạp chất ấy thì lượng ôxi không quá 0,02%.
- Đồng cứng: Có sức bền cao, độ giãn dài bé, rắn và đàn hồi khi uốn.
- Đồng mềm: Được nung nóng xong để nguội, nó ít rắn, sức bền cơ học kém,

độ dãn khi đứt rất lớn, điện dẫn suất cao.
- Cả 2 loại đều có hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ như nhau.
- Về công dụng thì đồng cứng dùng ở nơi nào cần có sức bền cơ học cao, độ

rắn lớn chịu được sự mài mòn còn đồng mềm thì được dùng ở nơi nào cần có độ
uốn lớn và sức bền cơ giới không đáng kể.

l
l

Hình 2: Quan hệ giữa ứng suất cơ khí kéo dây dẫn với độ dãn dài tương đối 1: Dây
sản xuất bằng cách kéo nguộn; 2: Dây đã được ủ.
- Các hợp kim của đồng :

- Hợp kim đồng thường gặp là đồng thanh và đồng thau.
- Đồng thanh: có từ 3% đến 25% Zn và có thể pha thêm một số tạp chất

khác….
- Đồng thau (Latun): Đồng thau 1 một hợp kim đồng với kẽm, trong đó kẽm

không vượt quá 46%...
- Hợp kim đồng có các tính chất cơ học tốt song đảm bảo các khả năng dẫn

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

6


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

Đơn vị đo lường

Chỉ tiêu

- Trọng lượng riêng ở 20°C

kg/đm3

8,90

- Điện trở suất ở 20°C

Ωmm2/m

0,01748

-Dây mềm

-

0,01786

-Dây cứng

-

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

l/°C

0,00393

w/cm.độ

3,92

cal/cm.s.độ

0,938

- Nhiệt độ nóng chảy

°C

1.083

- Nhiệt lượng riêng trung bình ở 25 °C

kcal/kg.độ

0,0918

- Điểm sôi ở 760mm cột thuỷ ngân

°C

2325

- Hệ số giãn nở dài trung bình ở 20°C

1/độ (grd)

16,42.10-6

- Nhiệt độ kết tinh lại

°C

200

(ở 0°C- 150°C)
- Nhiệt dẫn suất

- Môđun đàn hổi, E

13.000

- Sức bền đứt khi kéo
Dây mềm

kG/mm2

21

Dây cứng

kG/mm2

45

- Kéo dài (riêng) ngang khi đứt

%

50 (mềm)

- Độ cứng Brinell

kG/mm2

2 (cứng)

Mềm

35 ủ nhiệt

Cứng

95 cứng

7


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

Đồng thanh

Đồng thau

Điện trở suất ρ[Ωcm]

l,75.10-6

1,92. 10-6

7. 10-6

Nhiệt dẫn suất λ [W/cm.°C]

3,9

0,54 ÷ 0,43

0,83 ÷ 1,17

Nhiệt lượng riêng c [W.s/g.°C]

0,39

Trọng lượng riêng γ [g/cm3]

8,9

7,4

8,3

Độ cứng Brinell HB [kG/mm2]

35/ 95

80/200

40/120

Ứng suất kéo được σkđ

21/45

50/85

18/50

Ứng suất cho phép σcp [kG/mm2]

18

Nhiệt độ nóng chảy (°C)

1.083

900 4÷ 1200

850 ÷ 920

1.1.3. Nhôm (Al)
Nhôm dẫn điện tốt chỉ sau Ag, Cu, Au, nhôm có điện trở suất ρ = 2,9.10-6
Ωcm, nó dẫn nhiệt tốt λ = 3,12 W/cm.°C, tương đối nhẹ γ = 2,7 g/cm3.
Nhôm chịu ăn mòn tốt do có lớp oxit A12O3 bảo vệ. Nhôm dễ dát mỏng, kéo
dài và tương đối mềm, có điểm nóng chảy thấp (tnc = 680°C ).
Độ bền cơ học thấp, khó hàn, dễ bị tác dụng với muối nước, HCl, NaOH đậm
đặc. Nhôm là loại vật liệu thứ hai sau đồng sử dụng rất rộng rãi; nó là loại vật liệu
có màu bạc, trắng và là một kim loại nhẹ (nếu 2 dây dẫn đồng và nhôm bằng nhau
về độ dài, bằng nhau về điện trở thì mặc dù nhôm có tiết diện lớn hơn 1,68 lần,
đường kính lớn hơn 1,3 lần nhưng nó lại nhẹ hơn đồng gần 2 lần); còn các hệ số
giãn nở nhiệt, nhiệt dung, nhiệt lượng để cho chảy thì lớn hơn đồng (do đó để cho
nhôm chuyển sang trạng thái lỏng cần nhiều nhiệt năng hơn so với đồng, tuy rằng
điểm nóng chảy của nhôm thấp hơn đồng); điện trở suất của nhôm gấp 1,6 lần đồng;
nhôm lại có nhiều trong thiên nhiên, giá thành rẻ hơn đồng (khi thay dây cần chú ý
đến việc giá thành của cách điện tỉ lệ với chu vi của tiết diện nên có khi dùng nhóm.

8


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

Bảng 3: Các hằng số và hóa học chính của nhôm
Tính chất

Đơn vị đo

Chỉ tiêu

- Trọng lượng riêng ở 20°C

kg/dm3

2,7

- Điện trở suất ở 20°C

Ωcm. 10-6

2,941

- Điện dẫn suất ở 20°C

Ω-1.cm.10-6

0,34

- Hệ số thay đổi của điện dẫn suất theo

1 /°C

0,004

W/cm.°C

2,1

(cal/cm.s.độ)

0,503

- Nhiệt độ nóng chảy bình thường

°C

657

- Nhiệt lượng riêng trung bình

kcal/kg

0,2259

- Nhiệt lượng nóng chảy tiềm tàn riêng

kcal/kg

93

- Điểm sôi ở 760 mm cột thuỷ ngân

°C

2270

- Hệ số dãn nở dài trung bình (20÷100°C)

l/°C

23,8.10-6

- Nhiệt độ tái tạo tinh thể

°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 tương đối

%

80

- Độ cứng Brinell

kG/mm2

22

nhiệt độ ở 20°C
- Nhiệt dẫn suất ở 20°C

- 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% ÷ 3%; nếu
trong nhôm chứa Cu, Ag hay Mg thì điện dẫn suất giảm 5% ÷ 10%. Điện dẫn của

9

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.
Điện trở suất ρ = 0,0317 Ωmm2/m, độ bền cơ học gần bằng đồng nhưng nhẹ
như nhôm nguyên chất nên được dùng làm đường dây tải điện trên không có
khoảng cách giữa các cột lớn.
Nhôm kỹ thuật A, E: có lượng tạp chất nhỏ hơn 0,5%, được ủ mềm ở nhiệt
độ từ 330°C đến 370°C được dùng làm dây dẫn có điện trở suất nhỏ.
Nhôm A- 97: chứa không quá 0,03% tạp chất
Nhôm A- 999: lượng tạp chất nhỏ ≈ 0.001%
Nhôm kỹ thuật: có chứa tạp chất chủ yếu là Fe và Si.
1.2. Vật liệu cách điện trong cáp điện.
1.2.1.Phân loại vật liệu cách điện.
Phân loại theo trạng thái vật lý
- Vật liệu cách điện (VLCĐ) thể khí.
- VLCĐ thể lỏng.
- VLCĐ thể rắn: có thể phân thành các nhóm cứng, đàn hồi, có sợi, băng,
màng mỏng. Giữa thể lỏng và thể rắn có một thể trung gian (thể mềm nhão)
như các loại sơn tẩm.
Phân loại theo thành phần hoá học
-VLCĐ hữu cơ: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên như cao su, xenlulo,
nhóm nhân tạo như phenol, vinyl…
-VLCĐ vô cơ: các chất khí, chất lỏng không cháy, sứ, gốm, mica, thủy tinh
Phân loại theo tính chịu nhiệt.
Khi chọn VLCĐ phải biết VLCĐ có tính chịu nhiệt theo cấp nào Y, A, E...
1.2.2.Vật liệu polyme.
Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp vật liệu, hiện nay vật liệu cách
điện ngày càng đa dạng thuận lợi trong việc chế tạo, sử dụng và vận hành. Các vật

liệu polyme được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo cáp dẫn điện ở các cấp điện

10


áp. Polyme theo cách mô tả ban đầu một phân tử của nhiều hợp phần cơ bản. Ngày
nay theo IUPAC (International Union for Pure and Applied Chemistry) - liên hiệp
quốc tế về hoá cơ bản và ứng dụng) polyme được định nghĩa một “Một hợp chất
gồm các phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một loại hay nhiều loại
nguyên tử hay một nhóm nguyên tử (đơn vị cấu tạo monome) liên kết với nhau với
số lượng khá lớn để tạo nên một loạt tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể khi
lấy đi hoặc thêm vào một vài đơn vị cấu tạo ”.
Bảng 4: Cấp cách điện và chủng loại vật liệu
Cấp cách Nhiệt độ cho
điên

phép (°C)

Y

90

Các vật liệu cách điện chủ yếu trong từng cấp
Giấy, vải sợi, lụa, cao su... không được tẩm sơn hay ngâm trong
chất cách điện lỏng

A

105

Gồm các điện môi cấp Y nhưng tẩm sơn hoặc ngâm trong dầu
để giảm tác động hoá già của điện môi

E

120

Các loại nhựa hữu cơ có chất phụ gia chịu nhiệt như: nhựa
hetinac, epoxy, polyeste....
Các vật liệu có chứa các thành phần vơ cơ như: amiang, vật liệu

B

130

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

F

150

Các vật liệu mica, sản phẩm từ sợi thủy tinh không lớp đệm
hoặc các lớp đệm bằng vật liệu vơ cơ

H

180

C

Trên 180

Nhựa silic hữu cơ có tính chịu nhiệt đặc biệt cao
Các vật liệu vô cơ không chứa thành phần tẩm hay kết dính
như: mica, thuỷ tinh, sứ

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

11


Phân loại theo nguồn gốc hình thành
- Polyme thiên nhiên: có thể có nguồn gốc thực vật hoặc động vật như:
xenlulo, caosu, protein, enzym.
- Polyme tổng hợp: được sản xuất từ những loại monome bằng phản ứng trùng

ngưng, trùng hợp như các loại polyolefin, polyvinylclorit, nhựa phenol- fomandehit,
polyamit, v.v...

12


Phân loại theo cấu trúc
Theo cấu trúc phân tử người ta phân biệt polyme mạch thẳng, polyme mạch
nhánh, polyme mạng lưới và polyme không gian.
Phân loại theo tính chịu nhiệt
- Polyme nhiệt dẻo: thường là các polyme mạch thẳng. Ở loại vật liệu này,

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

khả năng tạo thành các polyme không gian.
- Phân loại theo lĩnh vực ứng dụng: theo cách này polyme được phân thành

các loại sau đây: chất dẻo, sợi, cao su, sơn và keo.
1.2.3. Hỗn hợp cách điện.
Hỗn hợp cách điện (compound) là hỗn hợp của những vật liệu cách điện khác
nhau như: nhựa, nhựa đường (bitum), xenlulo,... chúng được hoá lỏng bằng gia
nhiệt tới nhiệt độ đủ cao, sau đó được đông cứng khi làm lạnh nên thường được gọi
là compound.
- Theo công dụng có thể chia compound thành hai loại chính: một loại dành để

tẩm và một loại dùng để rót. Loại tẩm hay dùng để ngâm, tẩm cuộn dây máy điện.
Loại rót dùng để rót vào các hộp đầu cáp, vào vỏ máy biến dòng, vỏ các thiết bị
điện, lấp đầy những hốc lớn, các khe giữa những chi tiết khác nhau nhằm bảo vệ
cách điện khỏi độ ẩm, làm tăng điện áp đánh thủng của cách điện, tăng độ bền cơ
học của chúng...
- Theo tính chất có thể chia compound thành loại nhiệt cứng và loại nhiệt dẻo.

Compound nhiệt cứng là loại không bị mềm đi nữa khi đã được đông cứng khác với
loại nhiệt dẻo bị mềm đi khi bị nung nóng. Loại nhiệt dẻo dùng để rót hoặc tẩm như
compound bitum, chất điện môi dạng sáp, polyme nhiệt dẻo...

13


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

4. Xenlulohidrat
5. Sợi thủy tinh tẩm
nhựa xilicon

- Dầu cách điện

6. Polyzobutilen

- Vỏ bọc dây

7. Neopren
1.2.4. Nhựa cách điện
- Polyetilen (C2H4)n có độ bền về cơ tốt, chịu được 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 (C6 H8)n có tính cách điện cao, tính hút ẩm thấp, ở nhiệt độ thấp rất
giòn có khuynh hướng tạo ra những vết nứt ở bề mặt, kém bền đối với tác dụng của
dung môi, tính chịu nhiệt không cao.
Polyvinylclorit (C2H3Cl)n rất bền đối với nước, kiềm, axit loãng, dầu, xăng và
rượu. Dùng làm chất cách điện cho dây dẫn, vỏ bọc bảo vệ cho cáp, vỏ bình ắcqui.

14


Polytetraíloetilen (C2F4)n có tính chịu nhiệt cao 150°C, chịu được axit, kiềm,
không cháy, không hút ẩm, không dính nước kể cả các loại chất lỏng khác, không
chịu được tác dụng của vầng quang điện.
Bakelit: là loại nhựa nhiệt cứng, có độ bền cơ cao, ít co giãn, có tạo vết khi
gặp sự phóng điện. Dùng để tẩm cho gỗ, chế tạo các chất dẻo, nhựa ép lớp.
Gliptan: Độ bám dính, độ đàn hồi, độ bền hoá già do nhiệt và độ bền chống sự
tạo vết cao hơn bakelit. Dùng chế tạo sơn dán, sơn tẩm cho các thiết bị điện
Epoxy: là một chất lỏng nhớt, khi thêm vào chất làm đông sẽ đông cứng lại
thành một khối cách điện tốt và có độ chống thấm cao, bám dính tốt vào các vật liệu

khác như sứ, thủy tinh, kim loạiễ.. thường dùng để sản xuất sơn dán, sơn tẩm hợp
chất làm đầy.
Nhựa silic hữu cơ: có tính cách điện rất cao, tính chịu nhiệt rất tốt không thấm
nước, có độ bển cơ thấp, độ bám dính kém, ít chịu được dầu và đắt tiền. Sử dụng
làm sơn tẩm, hợp chất cách điện, chất dẻo, sơn phủ.
1.2.5. Nhựa thiên nhiên.
1.2.5.1. Cánh kiến.
Loại nhựa này do một số côn trùng tiết ra trên các cành cây ở các xứ nóng
thuộc vùng nhiệt đới. Người 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 rượu, cồn nhưng không hòa tan trong hydrocacbon.
Cánh kiến có các đặc tính cách điện như sau: ε = 3,5; ρv = 1015 ÷ 1016 Ω.cm;
tgδ = 0,01; Eđt = 20 ÷ 30 kV/mm. Ở 50 ÷ 60°C cánh kiến trở nên dễ uốn và ở nhiệt
độ cao hơn thì trở thành dẻo và nóng chảy ra. Khi đun nóng chảy kéo dài thì cánh
kiến được nung kết, đồng thời trở nên không nóng chảy và không hòa tan; nhiệt độ
càng cao thì thòi gian nung kết càng giảm. Trong kỹ thuật cách điện, cánh kiến
được dung ở dạng sơn dán chế tạo Micanit. Khi không có cánh kiến người thay hay
bằng nhựa gliptan và các loại nhựa tổng hợp.

15


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

Trung tính
Cực tính

Nhiệt dẻo
Nhiệt cứng

Trùng hợp
Đa trị

Hữu cơ cơ bản

Hữu cơ

Phân loại nhựa theo
bản chất lý hoá của
chúng

Tên nhựa

Độ dãn
Nhiệt Hệ số dẫn
Độ
Giới hạn dài tương Độ chịu dẫn
nở nhiệt thấm
Tỷ trọng
bền kéo, đối khi nóng,
suất, theo chiều nước
g/cm 3
kG/cm2 kéo đứt,
°C
W/°C/c dài TKI sau 24
%
m
105,1/°C giờ, %

Polyetylen

0,910,97

100-150 300-750 90-120

Polystyrol

1,05

350-600

Polytetratloetylen

2,3

150-300 250-300

Polyvinylclorit

1,4-1,7

300-500

Polymetylmetacrilat

1,2

400-700

P,Ω.cm

ε

Tg δ

E,
kV/m

3

16-18

1,01

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

70-90

0,8

6-8

0,04

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

250

3,4

10

0,01

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

50-150

60-70

0,8

5-8

0,1

1015 - 1016

2-10

70-90

2

9

0,35

1013 - 1014 3,5-4,5

14

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

34

0,01-0,03

20-80

Phenolíocmandehyt

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

Polyeste

1,1-1,45 250-700

0,1-0,6 1013 - 1016

34,5

0,002-0,02

15-20

3-5

0,01-0,03

15-20

Silic hữu cơ 1,6-1,75 200-500

5-10

110-150

1,7

8-10 ,

-

180-220

0,8

10,5

16

0,1

1014 - 10157

1.2.5.2.Nhựa thông (colofan).
Colofan là một loại nhựa giòn có màu vàng hoặc nâu được sản xuất từ nhựa
thông bằng cách chưng cất từ dầu thông.

Hình 3: Quan hệ ε và tg δ theo nhiệt độ khí f = 50 Hz của Colofan
Colofan có tính chất cách điện như sau: ρ = 1014÷1015 Ω.cm; Eđt = 15 kV/mm
và có hằng số điện môi ε và tg δ phụ thuộc vào nhiệt độ như hình vẽ 1.3, đặc trưng
cho điện môi cực tính. Nhiệt độ hóa dẻo của các loại colofan khác nhau vào khoảng
50 ÷ 70°C: Colofan ôxi hóa từ từ trong không khí, khi đó nhiệt độ hóa dẻo của nó
tăng nhưng độ hòa tan lại giảm đi.
Colofan hòa tan trong dầu mỏ được dùng vào việc ngâm tẩm cáp, ngoài ra nó
cũng được dùng để sản xuất ra rezinat là chất làm khô cho sơn dầu.
1.2.5.3.Nhựa côpan
Nhựa côpan là loại nhựa khó nóng chảy, có đặc điểm là bóng, rất cứng và
tương đối khó hòa tan. Người ta dùng nhựa côpan làm chất phụ gia cho sơn dầu
nhằm tăng độ màng cứng.

17