Nghiên cứu xác định vị trí sự cố trên đường dây cáp ngầm trung áp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẶNG HỒNG QUÂN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ
TRÊN ĐƢỜNG DÂY CÁP NGẦM TRUNG ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẶNG HỒNG QUÂN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ
TRÊN ĐƢỜNG DÂY CÁP NGẦM TRUNG ÁP

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số
: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỆN

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HỮU HIẾU

Đà Nẵng - Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Đặng Hồng Quân


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn đến thầy T.S Nguyễn Hữu Hiếu, ngƣời đã tận
tình hƣớng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô Trƣờng Đại học Đà Nẵng đã tận
tình nhận xét và đóng góp nhằm hoàn thiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến Quý Thầy, Cô khoa Điện- Trƣờng Đại học Đà
Nẵng và các cán bộ Phòng Đào Tạo đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học
tậm và trong quá trình hoàn thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã gúp đỡ, động viên và tạo mọi
điều kiện để tôi hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Cha mẹ và ngƣời thân đã luôn ở bên tôi và động viên
rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học.
Đặng Hồng Quân


NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ
TRÊN ĐƢỜNG DÂY CÁP NGẦM TRUNG ÁP
Học viên: Đặng Hồng Quân

Mã số: 60.52.02.02

Khóa: 2015

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trƣờng: Đại học Bách khoa- ĐHĐN

Tóm tắt: Việc nhanh chóng xác định vị trí sự cố ngắn mạch là rất quan trọng trong lƣới
phân phối do đặc trƣng hệ thống lƣới phức tạp, sử dụng cả đƣờng dây trên không lẫn cáp ngầm.
Thời gian xác định vị trí ngắn mạch càng nhanh thì công tác chuẩn bị khắc phục sự cố để khôi
phục hoạt động bình thƣờng trên lƣới càng nhanh chóng và thuận tiện.
Để thực hiện nhiệm vụ xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên đƣờng dây cáp ngầm trung áp,
nhiều nghiên cứu đã đƣợc thực hiện. Thống kê các nghiên cứu đã đƣợc thực hiện từ trƣớc đến nay
trong lĩnh vực phát hiện vị trí sự cố đƣợc phân thành ba phƣơng pháp chính đó là phƣơng pháp
bơm xung phản xạ [2-4] vào đoạn cáp bị sự cố sau khi đã đƣợc cô lập bằng các máy phát xung có
tần số cao và các thiết bị đo chuyên dụng đo xung phản hồi đi và về. Phƣơng pháp truyền sóng [514] đo thời gian lan truyền của sóng lấy kết quả từ sự xuất hiện sự cố trên đƣờng dây. Các phƣơng
pháp này có kết quả khá chính xác nhƣng mức đầu tƣ cao nên không phổ biến trên lƣới điện trung
áp. Luận văn nghiên cứu các thuật toán áp dụng phƣơng pháp tổng trở [15-26] và mô phỏng trên
Matlab Simulink để tính toán nhằm mục đích khai thác các thiết bị hiện đã đầu tƣ trong lƣới phục
vụ cho việc xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây cáp ngầm trung áp.
Từ khóa: Vị trí sự cố, hệ thống cáp ngầm trung áp, thuật toán, phƣơng pháp tổng trở.
STUDY FAULT LOCATION ON THE MEDIUM VOLTAGE
OVERHEAD LINE AND UNDERGROUND CABLE
Abstract: The rapid localization of short-circuit faults is very important in the distribution grid
due to the complex grid system feature, using both overhead line and underground cables. Fault
location time effect repair time of medium voltage overhead line and underground cables.
Reducing of fault location time mean increasing power quality of power grid.
To carry out the task of locating short circuit faults on the medium voltage overhead line
and underground cables, several studies have been conducted and many of the devices based on
these studies have been fabricated locating devices. Underground cable incident. Statistics of the

studies that have been carried out so far in the field of incident location detection are categorized
into three main approaches, Time Domain Reflection [2-4] Isolated by high-frequency pulsed and
dedicated instrumentation for pulse-on-return and return measurements. The Travelling wave
method [5-14] measures the propagation time of the wave resulting from the occurrence of an
incident on the line. The thesis investigating algorithms applying the [15-26] impedance method
and Matlab Simulink simulation to calculate for the purpose of exploiting the currently invested
equipment in the grid serves to Attempt on medium-voltage underground cable.
Key words: Location faults, underground distribution system, algorithms, impedance
method


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................1
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................1
3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.........................................................................2
4. Đặt tên đề tài .........................................................................................................2
5. Nội dung và biên chế đề tài...................................................................................2
CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................3
1.1. GIỚI THIỆU LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP ..................................................................3
1.2. CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC ......................................................................................... 5
1.2.1. Xu thế phát triển của cáp ngầm ......................................................................5
1.2.2. Cấu tạo cáp ngầm ............................................................................................ 6
1.3. CÁC CƠ CHẾ LÃO HÓA CÁP NGẦM ............................................................... 10
1.4. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY NGẮN MẠCH CÁP NGẦM ................................ 14
CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ
CỐ .................................................................................................................................17
2.1. GIỚI THIỆU ...........................................................................................................17
2.2. PHƢƠNG PHÁP XUNG PHẢN HỒI ...................................................................17
2.2.1. Phƣơng pháp đốt cáp..................................................................................... 17

2.2.2. Phƣơng pháp phản hồi miền thời gian .......................................................... 18
2.2.3. Công nghệ phản hồi hồ quang (Arc Reflection – ARC) ............................... 21
2.2.4. Nhận xét ........................................................................................................22
2.3. PHƢƠNG PHÁP TRUYỀN SÓNG (Travelling Wave) ........................................22
2.3.1. Giới thiệu ......................................................................................................22
2.3.2. Nguyên lý ......................................................................................................23
2.3.3. Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp ............................................................ 24
2.4. PHƢƠNG PHÁP TỔNG TRỞ ...............................................................................24
2.4.1. Giới thiệu ......................................................................................................24
2.4.2. Nguyên lý ......................................................................................................25
2.4.3. Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp ........................................................... 26
2.5. THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TRONG LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP .................... 26
2.5.1. Chỉ thị sự cố (Fault Indicator: FI) .................................................................26
2.5.2. Recloser và thiết bị tự động phân đoạn sự cố ...............................................27
2.5.3. Thiết bị chuyên dụng dò tìm sự cố................................................................ 28
2.6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................................32


CHƢƠNG 3. XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ ĐƢỜNG DÂY CÁP NGẦM
TRUNG ÁP BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỔNG TRỞ ................................................34
3.1. GIỚI THIỆU ...........................................................................................................34
3.2. XÁC ĐỊNH VÍ TRÍ SỰ CỐ BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỔNG TRỞ .................... 34
3.2.1. Giới thiệu ......................................................................................................34
3.2.2. Thuật toán dựa vào tổng trở đơn giản ........................................................... 36
3.2.3. Thuật toán Tagaki ......................................................................................... 37
3.2.4. Thuật toán Tagaki cải tiến.............................................................................37
3.2.5. Thuật toán Saha............................................................................................. 38
3.2.6. Thuật toán Wisziewski ..................................................................................40
3.2.7. Phƣơng pháp Personal ..................................................................................41
3.2.8. Kết luận .........................................................................................................43

3.2.9. Xây dựng chƣơng trình .................................................................................43
CHƢƠNG 4. XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH VÀ TÍNH TOÁN VỊ TRÍ SỰ
CỐ .................................................................................................................................46
4.1. GIỚI THIỆU ...........................................................................................................46
4.2. XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ THEO GIẢ ĐỊNH .................................................... 46
4.2.1. Thông tin dự án ............................................................................................. 46
4.2.2. Thông số kỹ thuật.......................................................................................... 46
4.2.3. Nhập thông số ............................................................................................... 47
4.2.4. Kết quả ảnh hƣởng của điện trở ngắn mạch ................................................47
4.2.5. Kết quả ảnh hƣởng của vị trí ngắn mạch ..................................................... 50
4.2.6. Nhận xét ........................................................................................................52
4.3. SO SÁNH THỰC TẾ ............................................................................................. 52
4.3.1. Tuyến cáp ngầm 22kV- Đƣờng lên đỉnh vƣờn Quốc gia Bạch Mã ..............53
4.3.2. Tuyến cáp ngầm 22kV- Kios Trƣờng Sa 4 đến Tủ RMU 5A....................... 56
4.4. NHẬN XÉT ............................................................................................................59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 60
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO)
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CPC
CPCETC

: Central Power Corporation
: Central Power CorporationCenter Electrical Testing
Company limited

Tổng công ty điện lực miền Trung

Công ty TNHH MTV thí nghiệm
điện miền Trung

ET
EPR

: Electrical Trees
: Ethylene Propylene

Cây điện
Cách điện cao su

EVN
GPS

: Viet Nam Electricity
: Global positioning system

Tập đoàn Điện lực Việt Nam
Hệ thống định vị toàn cầu

HTĐ
PD

:
: Partial Discharge

Hệ thống điện
Phóng điện cực bộ

SA
SCADA
TBA
TDR
TW
XLPE

: Sectionalisers Automation
: Supervisory Control And Data
Acquisition
:
: Time Domain Reflection
: Traveling Waves
: Cross-linked Polyethylene

Thiết bị tự dộng phân loại sự cố
Hệ thống điều khiển giám sát và
thu thập dữ liệu
Trạm biến áp
Xung phản xạ
Truyền sóng
Cách điện XLPE

WT

: Water Treeing

Cây nƣớc

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1.

Các cơ chế lão hóa cách điện cáp lực

11

1.2.

Thống kê sự cố cáp ngầm 22kV trong khu vực miền Trung

15

3.1.

Bảng tính các thông số trên đƣờng dây theo phƣơng pháp tổng
trở thứ tự thuận

35

4.1.

Kết quả ảnh hƣởng của điện trở ngắn mạch

49

4.2.

Kết quả ảnh hƣởng của vị trí ngắn mạch

51

4.3.

Kết quả ảnh hƣởng khi điện trở trên màn chắn đều nhau

55

4.4.

Kết quả ảnh hƣởng khi điện trở trên màn chắn khác nhau

55

4.5.

Kết quả ảnh hƣởng khi điện trở trên màn chắn khác nhau

58

4.6.

Kết quả ảnh hƣởng khi điện trở trên màn chắn khác nhau

58


DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

1.1.

Mạng trung áp hình tia

3

1.2.

Mạng trung áp kín vận hành hở

4

1.3.

Mặt cắt ngang cáp ngầm cách điện giấy tẩm dầu 33kV

7

1.4.

Cấu tạo cáp ngầm cách điện XLPE

8

1.5.

Cấu tạo Cáp ngầm cách điện EPR

9

1.6.

Cây điện, cây nƣớc

13

2.1.

Mô tả đồ thị dạng điện tử

18

2.2.

Sơ đồ định vị sự cố

20

2.3.

Cấu hình tổng thể hệ thống định vị sự cố bằng phƣơng
pháp TW

23

2.4.

Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp TW

23

2.5.

Sơ đồ xác định vị trí sự cố bằng phƣơng pháp tổng trở

25

2.6.

Thiết bị chỉ báo sự cố FI

26

2.7.

Phƣơng thức phối hợp giữa recloser và các thiết bị SA

27

2.8.

Hệ thống dò tìm sự cố SFL 2000.

28

2.9.

Dạng xung của phƣơng pháp TDR đối với các dạng sự cố
khác nhau.

29

2.10.

Đồ thị TDR chẩn đoán pha bị sự cố và pha tốt.

29

2.11.

Sơ đồ máy phát xung 32kV, 16kV và 8kV

30

2.12.

Sơ đồ kết nối ICM

30

2.13.

Kết quả chẩn đoán từ phƣơng pháp ICM

31

2.14.

Sơ đồ kết nối phƣơng pháp phân hủy

31

2.15.

Kết quả chẩn đoán từ phƣơng pháp phân hủy

32

3.1.

Sơ đồ phân tích đƣờng dây

35

3.2.

Mô hình đƣờng dây dây đơn giản sử dụng nhiều đầu

41

3.3.

Mô hình cáp 1 pha theo phƣơng pháp Personal

42

3.4.

Sơ đồ giải thuật xác định vị trí sự cố

44

3.5.

Sơ đồ mô phỏng vị trí sự cố

45

4.1.

Thông số nguồn phía TBA 110kV Hội An và tải phía Cù
Lao Chàm

47

Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

4.2.

Thông số dây dẫn và màn chắn kim loại cáp ngầm

48

4.3.

Thông số khối máy cắt và khối tạo sự cố

48

4.4.

Kết quả xác định chiều dài sợi cáp

53

4.5.

Kết quả xác định pha C bị sự cố cách tủ số 4 là 1.299m

53

4.6.

Sơ đồ mô phỏng vị trí sự cố XT 22kV Vƣờn Quốc Gia
Bạch Mã

54

4.7.

Vị trí sự cố mô phỏng

54

4.8.

Kết quả xác định chiều dài sợi cáp

56

4.9.

Kết quả xác định pha C bị sự cố cách tủ số 4 là 1.034m

56

4.10.

Sơ đồ mô phỏng vị trí sự cố Kios Trƣờng Sa 4 đến Tủ
RMU 5A

57

4.11.

Vị trí sự cố mô phỏng

57


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong tình hình phát triển hệ thống điện của Việt Nam hiện nay, việc ngầm hóa
hệ thống điện là yêu cầu cấp thiết khi cáp ngầm có những ƣu điểm rất lớn mà các
đƣờng dây trên không không thể có đƣợc hay việc thi công lƣới điện tại những nơi có
địa hình khó khăn không thể dùng các đƣờng dây trên không nhƣ lƣới điện vƣợt biển,
băng sông… Việc ngầm hóa hệ thống điện đối với lƣới điện trung áp trong môi trƣờng
đô thị là một yêu cầu tất yếu khi chi phí xây dựng và giải phóng mặt bằng quá cao và
việc đảm bảo cho việc vận hành đƣờng dây cao áp trên không cũng nhƣ của dân cƣ
đông đúc bên dƣới là rất khó khăn và tốn kém.
Hiện nay, việc ngầm hóa lƣới điện trung áp đang diễn ra nhanh chóng và ngày
càng mở rộng. Cùng với việc dùng cáp ngầm thay thế cho dây dẫn điện trên không đã
nảy sinh yêu cầu đảm bảo yếu tố vận hành an toàn và hiệu quả đối với đƣờng dây cáp
ngầm. Không giống đƣờng dây trên không, đƣờng dây cáp ngầm khi bị sự cố thƣờng
rất khó để phát hiện vị trí sự cố cố vì chúng đƣợc đặt ngầm trong đất hay dƣới đáy
biển nên không thể phát hiện bằng mắt thƣờng khi xảy sự cố cáp ngầm.

Yêu cầu cấp thiết đƣợc đặt ra đối với đƣờng dây cáp ngầm là phải có một giải
pháp hiệu quả, nhanh chóng xác định đƣợc vị trí ngắn mạch để tiến hành sửa chữa
đoạn cáp bị sự cố. Trong quá trình vận hành, đƣờng dây trung áp có thể gặp những sự
cố ngắn mạch do sự rạn nứt cách điện sau một thời gian vận hành gây lão hóa cách
điện, cũng có thể do trong quá trình xây dựng, cách điện bị rạn nứt mà không phát hiện
ra, theo thời gian bị nƣớc ngấm vào gây nên sự cố. Khi xảy ra sự cố tại bất kỳ một
phần tử nào trên đƣờng dây, rơle bảo vệ sẽ tác động tách toàn bộ các thiết bị và đƣờng
dây sau rơle ra khỏi hệ thống điện và loại trừ sự ảnh hƣởng của nhánh bị sự cố lên các
thành phần khác trên hệ thống điện.
Việc nhanh chóng xác định vị trí sự cố ngắn mạch rất quan trọng trong lƣới trung
áp. Thời gian xác định vị trí ngắn mạch càng nhanh thì công tác chuẩn bị khắc phục sự
cố để khôi phục hoạt động bình thƣờng trên lƣới càng nhanh chóng và thuận tiện.
Do đó, cần thiết phải tìm ra vị trí sự cố chính xác để nhanh chóng đƣa ra phƣơng
án sửa chữa và khôi phục lại việc cung cấp điện, giảm thiểu thời gian mất điện, tiết
kiệm đƣợc thời gian và công sức tìm kiếm. Đó là mục tiêu hƣớng đến của các Công ty
Điện lực nói chung.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu:
- Đoạn Đƣờng dây cáp ngầm trung thế.


2
- Phần mềm sử dụng trong luận văn: Matlab Simulink R2014b.
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu một số phƣơng pháp tổng trở để xác định vị trí sự cố trên một đoạn
đƣờng dây cáp ngầm trung áp.
- Ứng dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng một số dạng sự cố ngắn
mạch trên đƣờng dây cáp ngầm trung áp để tạo cơ sở tính toán xác định vị trí sự cố.
- Thu thập tài liệu, nghiên cứu các thông số liên quan đến một số đoạn đƣờng
dây cáp ngầm trung áp.

- Mô hình hóa một đoạn đƣờng dây cáp ngầm trung áp đang vận hành trong lƣới
điện.
- So sánh một vài số liệu xác định vị trí sự cố đã tính toán so với kết quả do
Công ty TNHH MTV thí nghiệm điện miền Trung đã thực hiện.
- Đánh giá toàn bộ luận văn, đề nghị hƣớng phát triển thêm cho đề tài.
3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
 Hệ thống hóa các phƣơng pháp, công trình nghiên cứu đã đƣợc công bố trong
lĩnh vực xác định vị trí sự cố trên lƣới điện.
 Khảo sát, đánh giá các phƣơng pháp đã và đang áp dụng để xác định vị trí sự
cố trên lƣới điện trung áp.
 Đề xuất phƣơng pháp áp dụng trong thực tế, góp phần nhanh chóng khắc phục
và sớm đƣa đoạn đƣờng dây cáp ngầm bị sự cố đi vào vận hành.
4. Đặt tên đề tài
Căn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đề tài đƣợc đặt tên nhƣ sau:
“Nghiên cứu xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây cáp ngầm trung áp”.
5. Nội dung và biên chế đề tài
Đề tài đƣợc phân thành 4 chƣơng với các nội dung sau:
- Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết.
- Chƣơng 2: Các phƣơng pháp và thiết bị xác định vị trí sự cố.
- Chƣơng 3: Xác định vị trí sự cố đƣờng dây cáp ngầm trung áp bằng phƣơng
pháp tổng trở.
- Chƣơng 4: Xây dựng chƣơng trình và tính toán vị trí sự cố.
Kết luận và kiến nghị.


3

CHƢƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. GIỚI THIỆU LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP

Nguồn cấp điện chính cho lƣới điện trung áp hiện nay là từ các thanh cái phía hạ
áp của các trạm 110 kV, nguồn điện này đƣợc lấy từ lƣới truyền tải Quốc gia.
Ngoài ra trong lƣới trung áp còn có các nguồn điện dự phòng và nguồn hỗ trợ là
các trạm phát diesel hoặc các trạm phát thủy điện nhỏ. Tùy thuộc vào yêu cầu của hệ
thống điện, tính toán kinh tế hoặc tình trạng vận hành thực tế mà các nguồn điện này
đƣợc huy động hoặc dự phòng thích hợp.
Phụ tải của lƣới lƣới trung áp đa dạng và phức tạp, các phụ tải sinh hoạt và dịch
vụ, tiểu thủ công nghiệp đa phần cùng trong một hộ phụ tải và hệ số đồng thời thấp.
Lƣới điện trung áp là khâu cuối cùng của hệ thống điện, thực nhiệm vụ phân phối
điện năng từ các trạm biến áp trung gian (hoặc trạm khu vực, nhà máy điện) trực tiếp
đến các hộ phụ tải.
Lƣới phân phối trung áp có điện áp 6kV, 10kV, 15kV, 22 kV, 35kV phân phối
điện cho các trạm phân phối trung áp và các phụ tải lớn trung áp.
Các dạng sơ đồ cơ bản của lƣới trung áp:
- Mạng hình tia:
Sơ đồ hình tia có ƣu điểm đơn giản trong công tác qui hoạch, thiết kế, xây dựng
và vận hành, chi phí đầu tƣ không cao và có khả năng phát triển thành sơ đồ vòng. Tuy
nhiên sơ đồ này có độ dự trữ cung cấp điện kém, ít linh hoạt và độ tin cậy thấp. Nếu
đƣờng dây hay máy biến áp bị sự cố thì sẽ làm gián đoạn việc cung cấp điện nên mạng
này có độ tin cậy cung cấp điện thấp.
MC

Tải

Tải

Tải

Tải

Hình 1.1. Mạng trung áp hình tia
- Mạng vòng:
Một cải tiến lớn dựa trên mạng hình tia thu đƣợc bằng cách sắp xếp theo mạng
vòng và đƣợc cung cấp điện từ hai nguồn. Phân bố công suất đến hộ tiêu thụ bằng một
đƣờng dây ở bất kỳ thời gian nào từ mỗi bên của vòng, phụ thuộc vào trạng thái đóng


4
hay mở của máy cắt xuất tuyến.
MC đz1
Tải

Tải
MCPĐ

Tải
MC

Tải

đz2

Hình 1.2. Mạng trung áp kín vận hành hở
Dạng sơ đồ này có độ tin cậy cung cấp điện cao hơn, linh hoạt trong vận hành
nhƣng có vốn đầu tƣ cao và phức tạp hơn trong công tác qui hoạch và tính toán bảo vệ.
Mặc dù lƣới trung áp đƣợc thiết kế và xây dựng theo mạch vòng kín có dự phòng
để tăng độ tin cậy cung cấp điện, nhƣng trong quá trình vận hành thƣờng vận hành ở
chế độ vận hành hở, rất ít vận hành ở chế độ kín. Đó là do sự phức tạp trong khâu tính
toán bảo vệ rơle, dòng ngắn mạch lớn nên khó khăn trong việc lựa chọn thiết bị, hoặc
dễ dàng phát sinh sự cố trên diện rộng. Ngoài ra lƣới vận hành hở sẽ thuận lợi trong

quá trình thao tác, chuyển đổi phƣơng thức kết lƣới để đƣa thiết bị ra sửa chữa và khôi
phục trở lại dễ dàng.
 Các chế độ vận hành của thiết bị trong lƣới trung áp
Căn cứ vào tình trạng làm việc của các thiết bị ngƣời ta chia lƣới trung áp bất kỳ
thành các chế độ vận hành khác nhau nhƣ sau:
- Chế độ vận hành bình thƣờng: Là chế độ vận hành mà các thiết bị vận hành với
các thông số nằm trong giới hạn cho phép và tình trạng phát nóng, độ bền điện, độ bền
cơ... của các thiết bị là bình thƣờng.
- Chế độ vận hành không bình thƣờng: Là chế độ vận hành mà trong đó có một
hoặc vài thiết bị lƣới điện vận hành ở tình trạng có một số thông số không nằm trong
giới hạn cho phép hoặc trên lƣới điện xuất hiện các hiện tƣợng bất thƣờng, có hiện
tƣợng chạm đất thoáng qua trong hệ thống lƣới điện có trung tính cách điện với đất, hệ
thống rơle bảo vệ điều khiển có trục trặc nhỏ cần xử lý. Nếu các nguyên nhân gây ra
tình trạng không bình thƣờng của thiết bị chƣa đƣợc loại trừ thì không cho phép các
thiết bị kéo dài tình trạng làm việc không bình thƣờng, phải có kế hoạch đƣa các thiết
bị này ra sửa chữa.
- Chế độ sự cố: là chế độ vận hành mà trong đó có một hoặc vài thiết bị lƣới điện
ở tình trạng sự cố (độ cách điện không đảm bảo, khả năng chịu lực kém) hoặc tính


5
năng hoạt động của thiết bị bảo vệ, điều khiển không chắc chắn.
Các hiện tƣợng sự cố thƣờng gặp trên lƣới trung áp là: Gãy cột, đứt dây, vỡ sứ,
phóng điện, hồ quang điện, ngắn mạch, mạch bảo vệ không hoạt động ...
Sự cố tồn tại sẽ gây nên phản ứng dây chuyền và lan rộng sự cố. Các bảo vệ của
lƣới điện phải cắt các dạng sự cố về điện để tránh những tác hại đặc biệt là các dạng
ngắn mạch gây ra. Không cho phép các thiết bị vận hành trong tình trạng sự cố vì sẽ
gây thiệt hại về tài sản và ảnh hƣởng đến tính mạng của con ngƣời.
Khi lƣới trung áp bị sự cố thì phải nhanh chóng loại trừ sự cố, ngăn ngừa sự cố
phát triển làm tổn hại đến ngƣời và thiết bị, phải nhanh chóng khôi phục điện cho

khách hàng (đặc biệt là những phụ tải quan trọng) và đảm bảo chất lƣợng điện năng
(tần số, điện áp).
Lƣới điện trung áp hiện nay sử dụng chủ yếu là cáp ngầm trung áp và đƣờng dây
trên không.
1.2. CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC
Cùng với sự phát triển của hệ thống điện để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày
càng cao trong một xã hội hiện đại, các đƣờng dây cáp ngầm cũng đƣợc đầu tƣ ngày
càng nhiều khi yêu cầu về độ an toàn cho con ngƣời, đƣờng dây, yêu cầu cấp điện liên
tục và chất lƣợng điện năng đảm bảo của hệ thống điện, hay tại các công trình không
thể dùng đƣờng dây trên không bởi lý do an toàn nhƣ các đƣờng dây vƣợt biển, vƣợt
sông, các đƣờng dây điện trong các thành phố đông dân cƣ.
1.2.1. Xu thế phát triển của cáp ngầm
Với tốc độ đô thị hóa ngày càng cao, yêu cầu một hệ thống cung cấp điện vừa
hiệu quả vừa có tính mỹ quan đô thị cao, đồng thời tránh sự tác động bất lợi của cƣờng
độ từ trƣờng sinh ra trên đƣờng dây đến những ngƣời sinh sống xung quanh thì đƣờng
dây cấp điện bằng cáp ngầm là sự lựa chọn duy nhất. Quan trọng nhất là với giá đất
cao và mật độ dân cƣ đông thì không thể dành khoảng không cho hành lang bảo vệ an
toàn đƣờng dây điện trên không. Các hệ thống điện, nƣớc, điện thoại phải đƣợc ngầm
hóa để tiết kiệm diện tích cho giao thông, các công trình xây dựng phục vụ nhu cầu
dân cƣ thành phố ngày càng đông đúc.
Ngoài ra, cáp ngầm ngày càng phát triển do ƣu điểm ít bị hƣ hại trong các điều
kiện thời tiết bất lợi đang ngày càng gia tăng trên thế giới hiện nay nhƣ giông bão, sét
đánh, cây đổ , mƣa lũ…
Với sự tiến bộ của công nghệ vật liệu, giá thành sản xuất cáp ngầm điện lực ngày
càng rẻ đi, đồng thời giá thành vận hành cũng sẽ đƣợc giảm xuống khi các loại cáp
điện mới đƣợc phát minh ngày càng ít phải duy tu bảo dƣỡng thƣờng xuyên là yếu tố


6
quan trọng giúp thúc đẩy nhu cầu sử dụng cáp ngầm trong truyền tải điện trên thế giới

hiện nay.
1.2.2. Cấu tạo cáp ngầm
Trong lịch sử hình thành và phát triển của cáp ngầm điện lực, có nhiều cấu hình
cấu tạo cáp điện lực đã ra đời. Khi một sợi cáp đƣợc đặt dƣới đất, cách điện càng phải
tốt hơn nhiều so với đƣờng dây trên không. Dòng điện trong tự nhiên có xu hƣớng
quay trở về đất và vì thế dây dẫn cần phải có cách điện tốt để giảm thiểu tổn thất điện
năng. Chính điều này đã làm cho kết cấu của cáp ngầm điện lực phức tạp hơn đƣờng
dây trên không rất nhiều. Việc chế tạo cáp ngầm điện lực cũng đòi hỏi yêu cầu công
nghệ cao hơn nhiều việc chế tạo đƣờng dây trên không. Đây chính là yếu tố cơ bản
làm tăng chi phí sản xuất cáp ngầm điện lực.
1.2.2.1. Nguyên tắc chung khi thiết kế cáp ngầm
Với những điểm đặc trƣng của cáp ngầm, việc thiết kế phải tuân theo những tiêu
chuẩn chung sau đây:
- Mặt cắt ngang của cáp đƣợc chọn phải tối ƣu về kích thƣớc để mang đƣợc
dòng điện đƣợc chỉ định hoặc chịu đƣợc dòng điện ngắn mạch trong khoảng thời gian
đủ để máy cắt hoạt động mà không gây nên hiện tƣợng quá nhiệt. Dây cáp ngầm điện
lực có độ sụt áp trên đƣờng truyền nằm trong giới hạn cho phép.
- Cách điện đƣợc dùng cho cáp ngầm điện lực phải đáp ứng đƣợc điều kiện hoạt
động liên tục với cấp điện áp làm việc với sự ổn định cao về nhiệt độ, an toàn và đáng
tin cậy.
- Các nguyên vật liệu đƣợc dùng chế tạo cáp ngầm điện lực phải đƣợc lựa chọn
cẩn thận để đảm bảo rằng có sự ổn định cao nhất về mặt lý tính và hóa tính trong suốt
quá trình vận hành cáp ngầm trong môi trƣờng vận hành cụ thể.
- Cáp ngầm điện lực phải chắc chắn về mặt cơ học, và đủ linh hoạt để chống lại
hiện tƣợng uốn cong nhiều lần trong quá trình sản suất, rung lắc trong quá trình vận
chuyển và trong quá trình lắp đặt cáp ngầm trực tiếp trong đất, trong mƣơng cáp, kéo
vào trong ống đựng cáp hay đặt trong thang cáp.
- Kết cấu cơ khí bên ngoài hay bảo vệ hóa chất bên trong phải đƣợc thực hiện
đầy đủ để cách ly giữa kim loại và vòng bảo vệ bên ngoài để cho phép cáp ngầm điện
lực chịu đựng đƣợc các điều kiện môi trƣờng mà nó làm việc.

1.2.2.2. Vật liệu dẫn điện
Đồng vẫn là vật liệu làm dây dẫn điện chiếm ƣu thế nhất hiện nay. Dây dẫn đƣợc
làm với nhiều định dạng khác nhau nhƣ bện, dây đặc, rẽ quạt. Dây dẫn điện có hình
dạng nhƣ thế nào là phụ thuộc rất lớn vào giá thành cáp của hãng sản xuất tại thời
điểm đấu thầu. Nhôm cũng đƣợc dùng làm dây dẫn điện bởi đặc tính nhẹ hơn và dễ


7
thao tác hơn đối với các sợi cáp lớn. Thêm một điểm quan tâm nữa là khi nối cáp
nhôm phải đảm bảo rằng không có oxit nhôm trên bề mặt tiếp xúc, điều này không cần
thiết khi nối dây dẫn điện bằng đồng hay đồng thau.
1.2.2.3. Vật liệu cách điện
 Giấy cách điện
- Giấy tẩm dầu, giấy cách điện cáp ngầm điện lực có khả năng đƣợc áp dụng tại
tất cả các cấp điện áp hoạt động. Ngày nay chúng ít đƣợc dùng cho các công trình mới
ngoại trừ các cấp điện áp từ 66 kV trở lên, hoặc khi phải gia cố các công trình hiện có
khi tiêu chuẩn yêu cầu phải có trong hệ thống.
- Cách điện bằng giấy tẩm dầu sẽ bị hƣ hại rất nhanh do đặc tính hút ẩm tự nhiên
của nó khi gặp hơi ẩm. Để khắc phục điều này, các lớp giấy dầu phải đƣợc bảo vệ
chống lại sự xâm nhập của nƣớc, thƣờng dùng các lớp bảo vệ bằng chì, hợp chất của
chì, hợp kim nhôm. Ngoài ra, trong quá trình lắp đặt cần đặc biệt chú ý đến chất lƣợng
mối nối và tiếp điểm thƣờng yêu cầu các vật liệu đặc biệt và yêu cầu kỹ thuật nối rất
cao.

Hình 1.3. Mặt cắt ngang cáp ngầm cách điện giấy tẩm dầu 33kV
- Với yêu cầu luôn phải có dầu trong giấy nên thƣờng với cáp ngầm bọc giấy
tẩm dầu ngƣời ta thƣờng phải thiết kế thêm các ống, các khe dẫn dầu bên trong giấy
hoặc có thêm dầu chạy giữa các sợi dây dẫn điện. Điều này làm cho công tác lắp đặt,
vận hành, bảo trì bảo dƣỡng đƣờng cáp rất phức tạp và đòi hỏi ngƣời vận hành phải có
trình độ cao. Trong hình bên dƣới thể hiện mặt cắt ngang của một số loại cáp ngầm

cách điện bằng giấy tẩm dầu.


8
 Cách điện bằng XLPE

Hình 1.4. Cấu tạo cáp ngầm cách điện XLPE
- XLPE (Cross-linked Polyethylene) là loại cách điện thông dụng nhất trong việc
chế tạo cáp ngầm hiện nay. XLPE với lợi thế có cƣờng độ điện môi cao, sức bền cơ
học tốt và đặc tính không hút ẩm với khả năng ôn định nhiệt độ trên một dải nhiệt độ
rộng. XLPE không có điểm nóng chảy rõ ràng và có thể duy trì độ đàn hồi ở nhiệt độ
cao do đó cho phép có khả năng mang dòng điện lớn hơn, có khả năng quá tải, khả
năng chịu đựng ngắn mạch khi so sánh với cáp ngầm điện lực cách điện bằng giấy tẩm
dầu.
- Cáp ngầm điện lực XLPE có phần cách điện dày hơn so với cáp ngầm điện lực
giấy tẩm dầu. Kết quả là cáp XLPE thƣờng có đƣờng kính cáp lớn hơn và chiều dài
cáp thƣờng ngắn hơn một ít khi chứa trong cùng một cuộn cáp khi so sánh với cáp
ngầm khác.
- Hệ số công suất của cáp XLPE thấp hơn khi so sánh với cáp ngầm giấy tẩm
dầu; tại điện áp hệ thống danh định so với đất. Điện dung cáp ảnh hƣởng đến vấn đề
điều chỉnh điện áp và thiết lập thông số bảo vệ đƣờng dây. Thông thƣờng, để giảm
thiểu điều này, nhà sản xuất sẽ tạo màn chắn ba pha khi điện áp hoạt động từ 6,6 kV
trở lên và cáp ngầm không có lƣới chắn chỉ thƣờng đƣợc dùng cho cấp điện áp từ 6,6
kV trở xuống. Thƣờng thì hệ thống cáp ngầm có mà chắn ba pha thì lƣới chắn sẽ đƣợc
tiếp đất tại một hoặc cả hai đầu cáp.
 Cách điện EPR
Cáp ngầm cách điện dùng cao su Ethylene Propylene có cấu trúc giống nhƣ cáp
XLPE và cũng đƣợc sản xuất với quy trình tƣơng tự. Cả EPR và XLPE đều bền bỉ và
có đặc tính chịu nhiệt tốt, tuy nhiên, EPR có khả năng co giãn tốt hơn trong một dãy

9
nhiệt độ rộng. Điều này làm cho cáp EPR có chất lƣợng cao hơn các loại cáp ngầm
điện lực khác hiện nay. Tuy nhiên, việc chế tạo cáp ngầm điện lực EPR với công nghệ
hiện tại có giá thành rất cao nên không thể triển khai sản xuất hàng loạt. Cáp ngầm
điện lực EPR chỉ đƣợc dùng cho công trình có tính chất quan trọng và yêu cầu cao về
tính an toàn vận hành và cấp điện.

Hình 1.5. Cấu tạo Cáp ngầm cách điện EPR
1.2.2.4. Vỏ bọc dây cáp ngầm (Sheaths)
Rất ít các vỏ bọc chì đƣợc sử dụng trong chế tạo cáp hiện nay ngoại trừ các loại
cáp cao áp đặc biệt. Các bỏ bọc bằng chì và hợp kim chì trong quá khứ hay đƣợc dùng
để chống lại sự thẩm thấu của hơi ẩm vào trong giấy cách ly của cáp hay các cáp khác
đƣợc lắp đặt trong các điều kiện đặc biệt ẩm ƣớc. Sự ăn mòn chì và thuộc tính chống
mỏi là rất quan trọng và đƣợc cải tiến để đạt đƣợc các yếu tố theo yêu cầu. Các vỏ bọc
hợp kim đƣợc dùng với các sợi cáp không bọc giáp khi vấn đề rung lắc có thể đƣợc
loại bỏ.
Ngày nay, việc chế tạo vỏ bọc cho cáp ngầm điện lực thƣờng dùng hợp kim
nhôm thay cho hợp kim chì với chi phí thấp hơn. Vấn đề kết cấu là một yếu tố quan
trọng để giảm khả năng ăn mòn trong vận hành. Là một thay thế rẻ hơn và ngày nay
phổ biến hơn để dẫn dắt một vỏ hợp kim nhôm đƣợc quy định. Các thành phần là một
yếu tố quan trọng trong việc làm giảm khả năng chống ăn mòn trong dịch vụ. Một cấu
trúc vỏ bọc bằng nhôm dạng nếp gấp giúp cải thiện tổng thể tính linh hoạt cáp ngầm.
1.2.2.5. Màn chắn sợi cáp ngầm (screening)
Việc lựa chọn chính xác điện áp danh định cáp ngầm thích hợp phụ thuộc vào
loại mạng và kiểu nối đất của lƣới điện. Tổng quát, nếu hệ thống nối đất trực tiếp, điện


10
áp sẽ không vƣợt quá giá trị cực đại của điện áp dây so với đất của hệ thống khi có sự

cố xảy ra. Tuy nhiên, khi có sự cố xuất hiện thì điện áp trung tính sẽ tăng lên bằng với
điện áp pha khi đó cách ly cáp ngầm phải đƣợc xác định cho phù hợp với điều kiện
này.
Để giảm thiểu khả năng phóng điện tại các bề mặt bên trong của điện môi lõi cáp
ngầm, một màn chắn phân loại đƣợc đề xuất. Màn chắn bao gồm một hay hai lớp băng
bán dẫn hoặc các hợp chất phủ trên cách điện trong lõi sợi cáp ngầm. Các biện pháp
này đƣợc đề xuất phù hợp dựa trên cấp điện áp của cáp ngầm.
1.2.2.6. Vỏ thép bảo vệ
Với mục đích bảo vệ cáp ngầm khỏi những hƣ hại cơ học do đào hay cuốc trúng
dây cáp ngầm, do sụt đất hoặc rung động quá mức chịu đựng, các cáp ngầm điện lực
đƣợc phủ một hoặc hai lớp thép mạ kẽm, lớp lƣới đan từ thép mạ kẽm, cuộn xoắn tròn
quanh cáp ngầm bằng thép mạ kẽm quanh sợi cáp ngầm. Giáp bọc bằng sợi thép mạ
kẽm đƣợc dùng nhiều nhất do cấu trúc rất linh hoạt mà nó mang lại, chúng dễ dàng
trong lắp đặt và hiệu quả hơn ở những nơi có khả năng bị kéo căng theo chiều dọc theo
thân cáp ngầm trong lúc hoạt động. Ngoài ra, tổng diện tích mặt cắt ngang của giáp sợi
thép có xu hƣớng lớn hơn khi so với tổng diện tích mặt cắt ngang của giáp bằng tấm
thép có bảo vệ cơ học tƣơng đƣơng và do đó giáp sợi thép sẽ cho ra mức tổng trở nhỏ
hơn khi giáp đƣợc nối đất.
1.3. CÁC CƠ CHẾ LÃO HÓA CÁP NGẦM
Hƣ hỏng cách điện là một hiện tƣợng không thể tránh khỏi trong hệ thống cáp
ngầm và dẫn đến nguyên nhân gây ra sự cố. Lão hóa sinh ra do tác động của một vài
yếu tố riêng biệt nhƣ: Nhiệt, điện, cơ khí và môi trƣờng. Những yếu tố lão hóa gây hƣ
hỏng cách điện về cáp đƣợc thống kê nhƣ bảng 1.1
Kích hoạt các cơ chế lão hóa hoặc thay đổi đặc tính với đại bộ phận các vật liệu
cách điện ở bên trong hoặc bên ngoài là nguyên nhân gây suy giảm cách điện và đƣợc
biết nhƣ lão hóa cách điện. Sự suy giảm là kết quả của sự hiện diện các chất gây ô
nhiễm, hƣ hỏng, khuyết tật, sự xâm nhập làm mấp mô trong vật liệu cách điện và tác
động bên trong chúng bởi các cơ chế lão hóa khác nhau.
Dƣới điều kiện thông thƣờng, các ứng suất điện là những yếu tố lão hóa dễ nhận
thấy nhất đó là hƣ hỏng cáp qua phóng điện cục bộ và trầm trọng hơn với các quá trình

tạo cây nƣớc. Bên trong điện môi đƣợc đùng ép chất hữu cơ và đặc biệt là đối với cáp
XLPE (Cross Linked Polyethylene), đa số hƣ hỏng của cáp có liên quan đến hoạt động
của cây nƣớc. Sơ đồ lộ trình sự hƣ hỏng trong cách điện trung áp với vài loại nguy
hiểm đƣợc xem nhƣ một mô hình phát triển cây nƣớc. Hiện tƣợng đánh thủng đầu tiên
này tiến hành trong sự hình thành cây điện hoặc cây nƣớc dƣới điện áp DC, AC và


11
điện áp xung. Nguyên nhân ban đầu của sơ đồ cây trong các điện môi khô là phóng
điện cục bộ bên dƣới các ứng suất điện áp cao và độ ẩm dƣới các ứng suất điện áp thấp
hơn. Mặt khác, không phải tất cả các hiện tƣợng suy giảm là liên quan đến các ứng
suất điện. Cáp điện có thể hƣ hỏng bên dƣới các điều kiện khác thông thƣờng qua sự
đánh thủng cách điện với nguyên nhân lão hóa vì nhiệt.
Bảng 1.1. Các cơ chế lão hóa cách điện cáp lực
Các cơ chế lão hóa

Hệ số lão hóa
- Nhiệt độ cao
- Chu trình nhiệt

- Phản ứng hóa học
- Giãn nở vì nhiệt
- Khuếch tán
- Nóng chảy cách điện

Nhiệt

- Nhiệt luyện các ứng suất bởi cơ chế
đóng
- Nhiệt độ thấp

- Craking
- Sự co thể tích do nhiệt

- Điện áp, DC, AC, Xung

-

Điện

Phóng điện cục bộ
Cây điện
Cây nƣớc
Nạp phát điện

- Đánh thủng bên trong
- Tổn thất điện môi và điện dung
- Dòng điện
Cơ khí

Môi
trƣờng

- Quá nhiệt

- Chỗ uốn cong, độ rung, độ - Gãy vật liệu
mỏi vật liệu, đo căng, ép, ứng - Craking
suất biến dạng
- Gián đoạn
- Nƣớc, độ ẩm

- Nhiễm bẩn
- Chất lỏng, khí Gas

- Đƣờng dẫn gây phóng điện
- Cây nƣớc
- Ăn mòn
- Tổn thất điện môi và điện dung

- Bức xạ

- Tốc độ phản ứng hóa học tăng lên

Kích hoạt các cơ chế lão hóa hoặc thay đổi đặc tính với đại bộ phận các vật liệu
cách điện ở bên trong hoặc bên ngoài là nguyên nhân gây suy giảm cách điện và đƣợc
biết nhƣ lão hóa cách điện. Sự suy giảm là kết quả của sự hiện diện các chất gây ô
nhiễm, hƣ hỏng, khuyết tật, sự xâm nhập làm mấp mô trong vật liệu cách điện và tác
động bên trong chúng bởi các cơ chế lão hóa khác nhau.


12
Dƣới điều kiện thông thƣờng, các ứng suất điện là những yếu tố lão hóa dễ nhận
thấy nhất đó là hƣ hỏng cáp qua phóng điện cục bộ và trầm trọng hơn với các quá trình
tạo cây nƣớc. Bên trong điện môi đƣợc đùng ép chất hữu cơ và đặc biệt là đối với cáp
XLPE (Cross Linked Polyethylene), đa số hƣ hỏng của cáp có liên quan đến hoạt động
của cây nƣớc. Sơ đồ lộ trình sự hƣ hỏng trong cách điện trung áp với vài loại nguy
hiểm đƣợc xem nhƣ một mô hình phát triển cây nƣớc. Hiện tƣợng đánh thủng đầu tiên
này tiến hành trong sự hình thành cây điện hoặc cây nƣớc dƣới điện áp DC, AC và
điện áp xung. Nguyên nhân ban đầu của sơ đồ cây trong các điện môi khô là phóng
điện cục bộ bên dƣới các ứng suất điện áp cao và độ ẩm dƣới các ứng suất điện áp thấp
hơn. Mặt khác, không phải tất cả các hiện tƣợng suy giảm là liên quan đến các ứng

suât điện. Cáp điện có thể hƣ hỏng bên dƣới các điều kiện khác thông thƣờng qua sự
đánh thủng cách điện với nguyên nhân lão hóa vì nhiệt.
+ Phóng điện cục bộ (Partial Discharge- PD)
PD là một phóng điện khí đƣợc khoanh vùng trong lỗ trống đã đƣợc điền đầy khí
gas hoặc trên bề mặt điện môi của hệ thống cách điện thể đặc hoặc lỏng mà không kèm
theo sự bắc cầu của các điện cực hệ thống. PD có thể là kết quả từ phóng điện bên
trong sự hình thành các lỗ hổng của cách điện, chỗ trống giữa điện môi và chất bán
dẫn, phóng điện tạo đƣờng dẫn dọc vết ngăn giữa hai thành phần, hoặc phóng điện từ
sự phát triển cây nƣớc hoặc cây điện. Khi cƣờng độ điện trƣờng bên trong lỗ trống
hoặc những rạn nứt đạt đến một ngƣỡng giá trị, thể khí sinh ra do ion hoá chỗ khuyết
tật, các điện tử tự do tạo ra bởi các va chạm ban đầu một cách liên tục. Nếu nhƣ kích
thƣớc chỗ trống trong điện trƣờng có chiều hƣớng là đủ lớn, sự va chạm liên tục ban
đầu có thể đƣợc xem nhƣ là đánh thủng, hoặc phóng điện qua chỗ trống.
Để bắt đầu cho một phóng điện cục bộ, kích thƣớc lỗ trống đạt đến mức giới hạn
cuối cùng đối với sự phát triển của một sự phóng điện. Đối với cách điện XLPE, kích
thƣớc tới hạn này cỡ 0,03 mm đối với lỗ trống hình cầu đƣợc điền đầy không khí ở áp
suất khí quyển. Điện áp khởi đầu bởi phóng điện PD là một hàm số của kích thƣớc lỗ
trống, nơi lỗ trống nằm trong vật liệu và liên quan đến các hình dạng, độ dày cách điện
và kích thƣớc dây dẫn. Kích thƣớc lỗ trống lớn hơn thì điện áp khởi đầu sẽ bé hơn.
Phóng điện PD phát triển bên trong cây điện khi chúng tự duy trì và diễn ra ở điện áp
vận hành hệ thống. Kéo dài phóng điện PD gây hƣ hại tới lớp bao quanh lỗ trống kể cả
về mặt vật lý và hoá học, điều đó có thể dẫn đến lần lƣợt hình thành với các dạng cây
nhƣ ban đầu.
+ Cây điện (Electrical Trees- ET)
Sự hiện diện các ứng suất điện áp cao và đi trệch các hƣớng là yếu tố mang đến
ban đầu sự hình thành và sản sinh các cây điện (ET). Một cây điện có thể bao gồm


13
nhiều đƣờng dẫn phóng điện nhƣ các nhánh và thân cây đƣợc xuất phát từ thân cây

đầu tiên.
Cấu trúc cây đƣợc nhìn rõ bên dƣới kính hiển vi với điện môi thể đặc bởi các
mẫu khác nhau (Hình 1.6)
Cây điện cũng có thể đƣợc hình thành ban đầu với sự kéo dài các hoạt động
phóng điện PD từ sự đùn ép ở giao diện bề mặt điện môi bán dẫn, nhiễm bẩn hoặc từ
một chuyển đổi dạng cây nƣớc. Sự đòi hỏi điện trƣờng xung quanh cây điện lúc ban
đầu là 150 kV/mm. Khởi đầu thông thƣờng ET sẽ sinh ra qua một loạt miếng vỡ rời
rạc của cách điện và các dạng nhánh cây bắc cầucùng với độ dài của điện môi, lúc đó
hiện tƣợng đánh thủng sẽ diễn ra. Do đó, ET đƣợc kết luận là quá trình thoái hoá dẫn
tới hƣ hỏng cách điện.

Hình 1.6. Cây điện, cây nước
+ Cây nƣớc (Water Treeing: WT)
Sự hiện diện hơi ẩm bởi các ion của chất nhiễm bẩn ở bề mặt tiếp giáp cách điệnbán dẫn của cáp lực là nguyên nhân gây ra cây nƣớc. Không nhƣ cây điện, đặc trƣng
của cây nƣớc thể hiện ở ứng suất về điện thấp hơn và hầu hết sinh ra là chậm hơn qua
cách điện. Cây nƣớc không có khả năng dùng để phát hiện ra nguyên nhân phóng điện
cục bộ trƣớc khi chuyển sang cây điện. Dƣới các điều kiện vận hành thông thƣờng,
quá trình chuyển đổi là nguyên nhân kéo dài hoạt động PD trong lỗ trống, điều đó đã
tạo ra các tuyến trong cây nƣớc. Cây nƣớc lớn có thể biến đổi ở mức điện áp vận hành
thông thƣờng và cây nƣớc nhỏ biến đổi do bởi các xung sét gây ra. Trong thời gian đấy
diễn biến về mặt hoá học ở bên ngoài cáp và điều này có thể mở đầu cho việc khoanh
vùng phóng điện cục bộ và đƣợc gọi là cây điện hoá học. Cây nƣớc làm hƣ hại cáp khi
chúng chuyển đổi thành cây điện. Một cây nƣớc đƣợc chuyển đổi thành một cây điện
trong thời gian ngắn sẽ làm hƣ hỏng cách điện nhanh do sự nhân rộng của cây điện ban
đầu tăng lên. Hình 1.12 thể hiện hình ảnh cây nƣớc sinh ra ở trạng thái ban đầu trong
vật liệu cách điện.


14
1.4. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY NGẮN MẠCH CÁP NGẦM

Dây dẫn trong sợi cáp ngầm điện lực đƣợc bao bọc bởi nhiều lớp cách điện và
các lớp bảo vệ khác nhau xung quanh sợi cáp nên khả năng tác động cơ học gây đứt
cáp là thấp hơn nhiều so với các đƣờng dây trên không để trần hay chỉ có một lớp cách
điện bên ngoài. Hơn nữa, do đƣợc chôn ngầm dƣới đất hay đi ngầm dƣới đáy biển hay
đáy sông nên cáp ngầm điện lực thƣờng không bị tác động bởi các điều kiện thời tiết
bất lợi nhƣ gió bão, sét đánh, cây đổ vào đƣờng dây nhƣ các đƣờng dây trên không.
Tuy nhiên, không phải vì thế mà đƣờng dây cáp ngầm không bị sự cố ngắn mạch. Các
đƣờng dây cáp ngầm điện lực thƣờng hay đối mặt với các sự cố ngắn mạch trong quá
trình hoạt động. Khi có sự cố ngắn mạch xảy ra thì thời gian mất điện sẽ lâu hơn các
đƣờng dây trên không khi các sự cố cáp ngầm điện lực không thể đi kiểm tra bằng mắt
để xác định nhanh vị trí sự cố ngắn mạch và thời gian xử lý sự cố ngắn mạch cũng lâu
hơn các đƣờng dây trên không rất nhiều.
Nguyên nhân chủ yếu của ngắn mạch trong cáp ngầm điện lực là do phóng điện
giữa các dây pha hay giữa dây pha với đất trong các sợi cáp ngầm. Điều này xảy ra là
do trong quá trình lắp đặt, các tác động cơ học đã làm rạn nứt cách điện trong các sợi
cáp ngầm mà không phát hiện ra, sau một thời gian nƣớc hay các chất dẫn điện khác đi
vào khe hở trong cách điện này làm giảm cách điện giữa các dây dẫn. Phóng điện hồ
quang sẽ xuất hiện làm hỏng cách điện và sự cố ngắn mạch giữa các dây pha với nhau
hay giữa dây pha với đất sẽ xuất hiện.
Ngoài sự cố rạn cách điện trong quá trình lắp đặt, cách điện trong cáp ngầm điện
lực cũng có thể bị hƣ sau một thời gian vận hành. Nguyên nhân đƣợc đƣa ra là sau một
thời gian vận hành, cách điện giữa các dây dẫn bị lão hóa theo thời gian. Tại các điểm
bị lão hóa này, sự rạn nứt cách điện sẽ xuất hiện dƣới sự tác động của lực điện từ giữa
các dây dẫn. Khi đó, sẽ có sự phóng điện giữa các dây dẫn với nhau do khoảng cách
giữa các dây dẫn trong cáp ngầm là rất nhỏ, điện môi không khí không thể cách điện
giữa các dây pha hay giữa giữa dây pha với đất.
Qua thực tế hoạt động của các đƣờng dây cáp ngầm, các khảo sát về sự cố cáp
ngầm đƣợc thực hiện cho thấy các sự cố cáp ngầm gồm có ngắn mạch một pha chạm
đất, ngắn mạch hai pha chạm đất và ngắn mạch ba pha chạm đất. Có thể giải thích điều
này một cách khoa học đó là do các sợi dây dẫn trong cáp ngầm thƣờng có một lớp

bọc bảo vệ bằng dây kim loại xung quanh, lớp bảo vệ này sẽ đƣợc tiếp đất tại các điểm
đấu nối cáp ngầm. chính điều này đã dẫn đến việc nếu có sự phóng điện thì đầu tiên sẽ
là phóng điện giữa dây dẫn và đất thông qua lớp bọc bảo vệ này. Điều này lý giải tại
sao cáp ngầm điện lực thƣờng bị các sự cố ngắn mạch chạm đất trong quá trình hoạt
động.