Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tuổi thọ của cáp điện cao áp xoay chiều một lõi HVAC - Polymer

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện "Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tuổi thọ của cáp điện cao áp xoay chiều một lõi HVAC - Polymer" với mục đích nghiên cứu mô phỏng điện trường trong cách điện của cáp điện một lõi polymer HVAC; Trên cơ sở hiểu rõ được quá trình biến đổi nhiệt độ trong cáp ta có thể đưa ra các điều kiện làm việc thích hợp cho từng loại cáp. Từ đó giảm được chi phí xây dựng, bảo dưỡng và thay thế cáp điện trên đường dây tải điện.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tuổi thọ của cáp điện cao áp xoay chiều một lõi HVAC - Polymer

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC TRỊNH XUÂN HIẾN NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TUỔI THỌ CỦA CÁP ĐIỆN CAO ÁP XOAY CHIỀU MỘT LÕI HVAC- POLYMER LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN ; HÀ NỘI, 2022 CÔNG THƢƠNG
BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC TRỊNH XUÂN HIẾN NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TUỔI THỌ CỦA CÁP ĐIỆN CAO ÁP XOAY CHIỀU MỘT LÕI HVAC- POLYMER Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số:8520201 ĐỀ CƢƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Người hướng dẫn khoa học: TS.Vũ Thị Thu Nga HÀ NỘI, 2022
LỜI CẢM ƠN Tác giả bày tỏ lòng cảm ơn tới Thầy hướng dẫn luận văn của mình về sự chỉ bảo, hướng dẫn, sự hỗ trợ, giúp đỡ của TS. Vũ Thị Thu Nga Tác giả bày tỏ lòng cảm ơn tới Thầy/Cô giảng dạy trong suốt quá trình học tập và Các bộ phận, phòng ban chức năng của trường Đại học Điện lực. Tác giả bày tỏ lòng cảm ơn tới đồng nghiệp, bạn bè và gia đình … đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho công việc học tập và nghiên cứu. Tác giả bày tỏ lòng cảm ơn tới các cơ quan ban ngành đã giúp đỡ, cung cấp số liệu, … phục vụ cho quá trình nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020 Tác giả Trịnh Xuân Hiến i
LỜI CAM ĐOAN Tác giả cam đoan đã sử dụng các tài liệu tham khảo của các tác giả, các nhà khoa học và các luận văn được trích dẫn trong phụ lục “Tài liệu tham khảo” cho việc nghiên cứu và viết luận văn của mình. Tác giả cam đoan về các số liệu và kết quả tính toán được trình bày trong luận văn là hoàn toàn do tác giả tự tìm hiểu và thực hiện trong quá trình nghiên cứu và viết luận văn của mình, không sao chép và chưa được sử dụng cho đề tài luận văn nào. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020 Tác giả Trịnh Xuân Hiến ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ ii MỤC LỤC ........................................................................................................... iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................. v DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU .............................................................. vi MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài: .............................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 1 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................................ 1 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 2 5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 2 6. Dự kiến đóng góp luận văn ............................................................................... 2 CHUƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁP ĐIỆN HVAC .......................... 3 1.1. Khái quát chung về quá trình phát triển cáp điện cao áp xoay chiều (HVAC)............................................................................................................. 3 1.1.1. Vài nét về lịch sử phát triển của truyền tải điện xoay chiều cao áp.... 3 1.1.2. Quá trình phát triển cáp điện cao áp xoay chiều ................................. 5 1.2. Cấu tạo cơ bản và phân loại cáp điện HVAC ........................................ 6 1.2.1. Cấu tạo cơ bản ..................................................................................... 6 1.2.2. Phân loại cáp điện HVAC ................................................................. 10 1.3. Ứng dụng của cáp điện trong hệ thống truyền tải .............................. 10 1.3.1. Ứng dụng của cáp XLPE trong hệ thống cáp ngầm.......................... 10 1.3.2. Ứng dụng của cáp XLPE trong cáp biển cao thế .............................. 13 1.3.2. Ứng dụng của cáp XPLE trong hệ thống điện cao thế...................... 19 1.4 Kết luận chƣơng 1 ................................................................................... 25 CHUƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN .......................................... 26 2.1. Tính toán ảnh hƣởng của nhiệt độ trong cách điện của cáp .............. 26 2.1.1 Lý thuyết về chế độ nhiệt ................................................................... 26 2.1.2 Tổn hao nhiệt lõi dẫn do dòng tải ...................................................... 27 iii
2.1.3. Tổn hao điện môi .............................................................................. 28 2.1.4 Nhiệt trở của các bộ phận cáp ............................................................ 28 2.1.5 Độ tăng nhiệt độ do tổn hao điện môi ........................................ 31 2.2. Tính toán ảnh hƣởng của điện trƣờng đến cách điện của cáp .......... 38 2.2.1 Điện trường trong trường hợp cáp tải dòng 1 chiều, xoay chiều ....... 38 2.2.2 Điện dung của cáp .............................................................................. 39 2.2.3 Điện trở của lõi dẫn trong cáp điện .................................................... 40 2.2.4. Tổn thất điện môi .............................................................................. 40 2.2 5. Điện áp đánh thủng cách điện ........................................................... 42 2.2. 6. Điện trường trong cáp điện .............................................................. 43 2.2.7. Phương trình tổng quát của từ trường ............................................... 46 2.2. 8. Điện cảm của điện áp ....................................................................... 48 2.2. 9. Điện trở tác dụng của lõi dẫn điện của cáp ...................................... 51 2.2.10. Tổn thất trong vỏ kim loại............................................................... 53 2.2.11. Kết Luận .......................................................................................... 56 CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ ĐIỆN TỪ TRƢỜNG TRONG CÁP BẰNG PHẦN MULTIPHYSIC COMSOL ........ 57 3.1. Giới thiệu ứng dụng Multiphysic Comsol ............................................ 57 3.1.1. Module truyền nhiệt (Heat transfer).................................................. 62 3.1.2. Module AC/DC ................................................................................. 65 3.2. Các thông số của cáp và các điều kiện mô phỏng ............................... 68 3.2.1. Thông số của cáp ............................................................................... 68 3.2.2. Điều kiện mô phỏng .......................................................................... 69 3.3. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 71 3.3.1. Với điều kiện nhiệt độ môi trường (T = 220C) ................................. 71 3.3.2. Có sự chênh lệch nhiệt độ ................................................................. 74 3.3. Mô phỏng điện trƣờng trong cách điện của cáp dƣới ảnh hƣởng của điện áp. ........................................................................................................... 78 3.4. Kết luận ................................................................................................... 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Giải th ch QH Quốc hội QĐ Qu ết định NĐ Nghị định TT Thông tƣ CP Ch nh phủ AC Dòng điện xoa chiều DC Dòng điện một chiều SX Sản xuất EVN Tập đoàn điện lực Việt Nam kV Điện thế KH Khách hàng CĐ Cáp điện v
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo cơ bản của cáp điện ................................................................ 7 Hình 1.2: Các loại cáp .......................................................................................... 8 Hình 1.3: Hệ thống cáp 400 kV cáp ngầm chạy qua thủ đô Berlin .................... 11 Hình 1.4: Cáp 400 kV lõi đồng được chia thành 5 phần để giảm tổn thất ......... 12 Hình 1.5: Sự phát triển của cáp ngầm ................................................................ 12 Hình 1.6: Cáp ngầm cao áp sử dụng cách điện XLPE(a) và RPR (b) ................ 15 Hình 1.7: Hiện tượng cây nước........................................................................... 16 Hình 1.8: Cáp ngầm dưới biển XLPE 420 kV của Nexans ................................. 17 Hình 1.9: Công trình cáp ngầm 110 kV xuyên biển Hà Tiên - Phú Quốc .......... 18 Hình 1.10: Lắp đặt cáp cho công ty điện lực Tokyo bằng đường biển ............... 20 Hình 1.11: Mô tả một hệ thống truyền tải HVAC bằng năng lượng gió ............ 20 Hình 1.12: Mối quan hệ giữa công suất và khoảng cách ................................... 21 Hình 1.13: Hai loại cáp HVDC 500 kV và 250 kV ............................................. 24 Hình 2.1 Mạch tương đương dòng nhiệt trong cáp ngầm .................................. 26 Hình 2.2. Nhiệt trở của cáp một sợi .................................................................... 29 Hình 2.3 Nhiệt trở giả tưởng của các loại cáp thông dụng ................................ 30 Hình 2.4 Nhiệt độ của đất trong năm ở các độ sâu khác nhau........................... 32 Hình 2.5 Nhiệt trở suất của đất trong năm ......................................................... 32 Hình 2.6. Trường nhiệt độ của cáp đường kính d=2r, độ chôn sâu h ................ 33 Hình 2.7. Nhiệt trở của cáp khi vận hành liên tục (hệ số tải ) không xét đến hiệu ứng đất bị khô và tE = const ................................................................................ 35 Hình 2.8: Sơ đồ các thành phần điện dung trong cáp ........................................ 39 Hình 2.9 Sự phụ thuộc của tgφ vào tần số .......................................................... 40 Hình 2.10: Sơ đồ cáp đơn ................................................................................... 43 Hình 2.11: Quan hệ cường độ điện trường cực đại với r/R ................................ 44 Hình 2.12: Cường độ điện trường....................................................................... 45 Hình 2.13: Từ trường cáp đơn ............................................................................ 47 Hình 2.14: Sơ đồ bố trí cáp đơn pha................................................................... 50 vi
Hình 2.15: Quan hệ giữa hệ số bề mặt và x ........................................................ 51 Hình 2.16: Quan hệ giữa RAC/RDC = f(Q)............................................................ 52 Hình 2.17: Tổn hao trong vỏ kim loại ................................................................. 54 Hình 3.1: Cửa sổ Untitled.mph COMSOL Mutiphysic ....................................... 58 Hình 3.2: Modul các trường làm việc ................................................................. 59 Hình 3.3: Mô phỏng số học đặc tính truyền nhiệt bộ trao đổi nhiệt kênh micro 63 Hình 3.4: Đường sức từ trong một linh kiện điện tử........................................... 66 Hình 3.5: Mật độ từ thông và thể tĩnh điện ......................................................... 67 Hình 3.6: Thông số của cáp MV ......................................................................... 69 Hình 3.7: Thông số của cáp ................................................................................ 70 Hình 3.8: Chọn vật liệu cho cáp ......................................................................... 71 Hình 3.9: Sự phân bố điện trường theo thang màu (3.9 a) theo bán kính của cáp (3.9 b) sau 100s đặt điện áp. ............................................................................... 72 Hình 3.10: Sự phân bố điện trường theo thang màu (3.10a) theo bán kính của cáp (3.10b) sau 4h đặt điện áp ............................................................................ 73 Hình 3.11: Phân bố nhiệt độ ở trạng thái ổn định trong cáp (đơn vị đo m) khi dòng điện trong dây dẫn (đồng) là 25 A. Thang màu đại diện cho nhiệt độ C. . 74 Hình 3.12: Phân bố nhiệt độ theo bán kính của cáp........................................... 75 Hình 3.13: Sự phân bố điện trường ở 100s theo gam màu (3.13a), ở 2h theo gam màu (3.13b) và theo thời gian dọc theo bán kính của cáp điện trong khoảng thời gian 2h đặt điện áp (3.13c). ................................................................................. 76 Hình 3.14: Phân bố điện trường trong cáp trong 4h đặt điện áp 30kV (cứ sau 100s) ở gradient T là 100C .................................................................................. 77 Hình 3.15: Phân bố điện trường dưới điện áp 15kV ở điều kiện nhiệt độ môi trường (sau 100s đặt điện áp (3.15a), sau 4h đặt điện áp (3.15b)) .................... 79 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh các loại cáp điện khác nhau ................................................... 6 Bảng 1.2: Cấu tạo của cáp .................................................................................... 8 Bảng 1.3: Sự phát triển của bề dày cách điện theo điện áp ............................... 19 Bảng 2.1: Đặc tính của các loại vật liệu cách điện ............................................ 41 Bảng 2.2: Cường độ điện trường cực đại của các loại cáp ................................ 46 Bảng 2.3: Hệ số Qx .............................................................................................. 48 Bảng 3.1: Thông số vật liệu ................................................................................ 69 viii
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Cáp điện cao áp cách điện polymer là loại cáp đang được nghiên cứu phát triển ứng dụng trong quá trình truyền tải điện năng, tuy nhiên khả năng truyền tải điện năng của cáp giảm dần dưới các điều kiện làm việc khác nhau (điện áp và môi trường). Điện trường trong cách điện của cáp là một trong các yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu suất làm việc cũng như tuổi thọ của cáp. Nghiên cứu sự biến đổi của nhiệt độ, điện trường trong cách điện của cáp đã được thực hiện ở các nước từ nhiều thập kỷ. Tới thời điểm hiện nay, nó vẫn là một vấn nóng đề được nhiều nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu để đưa ra các phương pháp, tiêu chí đánh giá quá trình già hóa của cáp điện. Hiện nay ở Việt Nam, với đặc thù là một nước có địa hình trải dài và nhiều biển đảo, đồng thời với sự phát triển nhanh chóng của phụ tải nên quá trình truyền tải điện năng hiệu quả là vô cùng quan trọng. Biến đổi của nhiệt độ trong cáp điện cao áp polymer đã được một số đơn vị nghiên cứu, tuy nhiên quá trình nghiên cứu tính toán và mô phỏng dự báo những đặc tính này trong cách điện dưới các điều kiện làm việc khác nhau về điện và môi trường còn nhiều hạn chế. Đề tài này tập trung nghiên cứu và mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến việc giảm hiệu suất làm việc của cáp. Từ đó, ta có được một cái nhìn tổng quan hơn về nguyên nhân của quá trình già hóa của cáp điện trên các đường dây truyền tải. 2. Mục đ ch nghiên cứu - Nghiên cứu mô phỏng điện trường trong cách điện của cáp điện một lõi polymer HVAC. - Trên cơ sở hiểu rõ được quá trình biến đổi nhiệt độ trong cáp ta có thể đưa ra các điều kiện làm việc thích hợp cho từng loại cáp. Từ đó giảm được chi phí xây dựng, bảo dưỡng và thay thế cáp điện trên đường dây tải điện 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu chung về cáp điện một lõi HVAC - Cấu tạo cơ bản, phân loại cáp điện một lõi HVAC 1
- Ứng dụng của cáp điện cách điện một lõi polymer HVAC trong hệ thống truyền tải - Nghiên cứu các phương pháp tính toán điện từ trường trong các loại cáp điện xoay chiều - Mô phỏng điện trường dưới các điều kiện làm việc khác nhau bằng ứng dụng Multiphysic Comsol - Phân tích kết quả mô phỏng 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Cáp điện cao áp một lõi cách điện polymer HVAC 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết - Sử dụng phần mềm để mô phỏng - Phân tích kết quả tính toán mô phỏng 6. Dự kiến đóng góp luận văn - Tổng hợp lý thuyết về cáp điện một lõi HVAC - Phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và từ trường đến cáp một lõi HVAC - Mô phỏng trên phân mềm Multiphysic Comsol - Là tài liệu học tập nghiên cứu cho học viên và các đơn vị trong ngành điện 2
CHUƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁP ĐIỆN HVAC 1.1. Khái quát chung về quá trình phát triển cáp điện cao áp xoa chiều (HVAC) 1.1.1. Vài nét về lịch sử phát triển của truyền tải điện xoay chiều cao áp Trên thế giới, trong những ngày đầu của nền kinh tế, điện năng được truyền tải ở cùng một điện áp nên rất hạn chế về khả năng truyền tải điện từ máy phát điện đến người tiêu dùng. Năm 1882, dòng điện một chiều ra đời, rất khó để mang điện áp đi trên đường dây dài đến các hộ tiêu thụ do mỗi tải trọng sử dụng cấp điện áp và mạch điện khác nhau. Việc truyền tải dòng điện xoay chiều sử dụng để thay thế cho nhược điểm của đường dây tải điện một chiều. Đó là khi Lucien Gaulard và John Dixon Gibbs xây dựng thành công máy phát điện thứ cấp đầu tiên, một biến áp có sử dụng mạch từ cảm ứng với tỉ số biến áp 1:1. Năm 1884 đường dây dài đầu tiên 34km sử dụng dòng điện xoay chiều được xây dựng cho triển lãm quốc tế Turin, Italy. Đường dây được trang bị điện áp 2kV, tần số 130 Hz, sử dụng một số máy phát điện thứ cấp với cuộn sơ cấp được kết nối trong mạng lưới, máy biến áp lúc này chỉ biến điện áp cao về điện áp thấp, tải là các đèn sợi đốt. Hệ thống đã chứng minh tính khả thi của truyền tải điện xoay chiều trên quãng đường dài. Sau đó, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, truyền tải dòng điện xoay chiều có bước phát triển mạnh mẽ, cùng với việc sử dụng nhiều máy biến áp biến áp cao về áp thấp và ngược lại bằng việc sử dụng mạch từ khép kín. Năm 1888, Nikola Tesla đã phát minh ra sự kết hợp giữa động cơ cảm ứng và máy biến áp, mô tả các thiết bị cho phép tạo ra và sử dụng hiệu quả đa pha dòng điện xoay chiều. Đó là một phát minh hết sức quan trọng, cung cấp một hệ thống điện hoàn chỉnh đầu tiên dung để cung cấp ánh sáng và phát triển nền công nghiệp. Máy phát điện cung cấp điện năng, qua máy biến áp tăng áp để đến đường dây tải điện cao áp, sau đó qua máy biến áp hạ áp đến mạch điện phân phối. Bằng cách sử dụng các nhà máy phát điện thông thường cho mọi loại tải trọng quan trọng, quy mô kinh tế đã đạt được, vốn đầu tư thấp hơn tổng thể đã được yêu cầu, hệ số tải trên mỗi máy được tăng lên cho phép cho hiệu quả cao hơn, chi phí thấp hơn cho người tiêu dùng và tăng cường phát huy điện năng. 3
Việc truyền tải đầu tiên của ba pha xoay chiều sử dụng điện áp cao đã diễn ra vào năm 1891. Điện áp sử dụng cho truyền tải điện tăng trong suốt thế kỷ 20, từ 70 kV lên 150 kV. Công nghiệp hóa nhanh chóng trong thế kỷ 20 cho đến ngày nay làm cho đường dây tải điện và lưới điện phát triển hết sức mạnh mẽ là một cơ sở hạ tầng hết sức quan trọng ở các nước phát triển. Tại Việt Nam, lưới điện truyền tải Việt Nam bắt đầu được xây dựng từ những năm 1960. Sau nửa thế kỷ hình thành và phát triển, đến nay lưới điện truyền tải đã lớn mạnh với hàng vạn km đường dây và hàng trăm trạm biến áp. Năm 1994, lưới điện 500kV chính thức được đưa vào vận hành (ngày 27/05/1994) đồng thời Tổng công ty Điện lực Việt Nam được thành lập (theo Quyết định số 562/TTg ngày 10/10/1994 của Thủ tướng Chính phủ) là bước ngoặt quan trọng trong quá trình phát triển của lưới điện truyền tải. Các Công ty Truyền tải điện thực sự chuyển biến về trình độ kỹ thuật và quản lý vận hành nhờ việc tiếp cận với công nghệ truyền tải điện cao áp 500kV. Năm 2006, Tập đoàn Điện lực Việt Nam được chuyển đổi từ Tổng công ty Điện lực Việt Nam (theo Quyết định số 148/2006/QĐ-TTg ngày 22/06/2006 của Thủ tướng Chính phủ). Lưới điện truyền tải với gần 9.000km đường dây và 21.000MVA dung lượng máy biến áp từ 220kV đến 500kV được quản lý vận hành bởi các Công ty Truyền tải điện 1, 2, 3, 4 trực thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam. Năm 2007, “Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2006 – 2015 có xét đến năm 2025” được phê duyệt (theo Quyết định số 110/2007/QĐ- TTg ngày 18/07/2007 của Thủ tướng Chính phủ). Lưới điện truyền tải được định hướng phát triển đồng bộ với nguồn điện nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội của đất nước với mức tăng GDP khoảng 8,5% - 9%/năm giai đoạn 2006 – 2010 và dự báo nhu cầu điện tăng ở mức 17% (phương án cơ sở) trong giai đoạn 2006 – 2015. Dự kiến trong giai đoạn 2006 – 2015, khoảng 20.000MVA dung lượng máy biến áp 500kV, 50.000MVA dung lượng máy biến áp 220kV, 5.200km đường dây 500kV và 14.000km đường dây 220kV sẽ được xây dựng và đưa vào vận hành. 4
Năm 2008, Tổng Công ty Truyền tải Quốc Gia được thành lập (theo Quyết định số 223/QĐ-EVN ngày 11/04/2008 của Hội đồng quản trị Tập đoàn Điện lực Việt Nam) trên cơ sở tổ chức lại 04 Công ty Truyền tải điện 1, 2, 3, 4 và 03 Ban Quản lý dự án các Công trình điện miền Bắc, Trung, Nam theo lộ trình hình thành và phát triển thị trường điện tại Việt Nam mở ra một thời kỳ mới cho sự phát triển của lưới điện truyền tải Việt Nam. Tính đến 31/12/2012, lưới điện truyền tải bao gồm 15.600MVA dung lượng máy biến áp 500kV, 26.226MVA dung lượng máy biến áp 220kV, 3.246MVA dung lượng MBA 110KV, 4.848km đường dây 500kV và 11.313km đường dây 220kV. Công nghệ đường dây nhiều mạch, nhiều cấp điện áp, cáp ngầm cao áp 220kV, trạm GIS 220kV, thiết bị SVC 110kV, tụ bù dọc 500kV, hệ thống điều khiển tích hợp bằng máy tính và nhiều công nghệ truyền tải điện tiên tiến trên thế giới đã được áp dụng rộng rãi tại lưới điện truyền tải Việt Nam. 1.1.2. Quá trình phát triển cáp điện cao áp xoay chiều Song song với sự phát triển của hệ thống truyền tải thì các loại cáp điện cao áp xoay chiều (HVAC) cũng phải phát triển theo để đáp ứng sự phát triển của nó. Việc phát minh ra cáp để có thể đạt được như hiện nay là bắt đầu từ năm 1830, và 50 năm sau năm 1880 cáp ngầm được lắp đặt đầu tiên tại Berlin. Lý do sau 50 năm mới được lắp đặt là phải tìm một vật liệu điện môi có khả năng chịu nhiệt của dây dẫn và điện trường mạnh. Năm 1880 Ferranti đã phát minh ra loại cách điện giấy. Sau đó năm 1917, Emanueli đã cải tiến bằng cách phát minh ra cách điện giấy tẩm dầu, làm tăng sự ổn định nhiệt của cáp và sử dụng cho điện áp cao hơn 100 kV. Các bước tiến lớn tiếp theo là sự phát triển về công nghệ cáp trong những năm 1960 với sự ra đời của polyethylene XPLE cho phép nhiệt độ chịu được cao hơn (khoảng 90 ºC). Một loai cáp khác là sử dụng áp lực khí như khí SF6. Loại cáp này có chiều dài tương đối ngắn (
Bảng 1.1: So sánh các loại cáp điện khác nhau Nhiệt độ hoạt động Vật liệu Ƣƣ điểm Nhƣợc điểm tối đa PVC 70°C cho mục đích Tổn thất điện môi cao Giá rẻ, bền, phổ biến, chung, 85°C cho nhất, tan chảy ở nhiệt độ có sẵn mục đích chống cao, Có chứa halogen nhiệt PE Tổn thất điện môi thấp Rất nhạy cảm với hiện nhất, cường độ điện tượng cây nước, vật liệu môi ban đầu cao bị phá vỡ ở nhiệt độ cao XPLE Không tan nhưng việc mở rộng nhiệt xảy ra, độ Tổn thất điện môi thấp, nhạy trung bình với nước đặc tính vật liệu Cải 90 ° C (mặc dù một số polyme thiện ở nhiệt độ cao XLPE có khả năng chống cây nước) EPR Tăng tính linh hoạt, 90 ° C giảm giãn nở nhiệt (so Tổn thất điện môi trung với XLPE), độ nhạy bình và cao, Yêu cầu vô thấp để giảm hiện cơ phụ / phụ gia tượng cây nước Giấy/Giấy Trọng lượng cao, chi phí Tổn thất điện môi thấp- tẩm dầu cao, yêu cầu thủy lực áp trung bình, không bị suất / máy bơm cho cách tổn hại bởi thử nghiệm 700 C nhiệt chất lỏng, khó khăn DC, lịch sử được biết để sửa chữa, làm suy đến về độ tin cậy giảm độ ẩm 1.2. Cấu tạo cơ bản và phân loại cáp điện HVAC 1.2.1. Cấu tạo cơ bản Cáp XPLE có cấu trúc cơ bản gồm lõi dẫn điện đồng hoặc nhôm, cách điện bằng nhựa PE liên kết ngang, tiếp theo là lớp màng chắn kim loại (Nhôm gấp nếp hoặc Chì hoặc Sợi đồng) và lớp vỏ bảo vệ PE hoặc PVC. 6
Hình 1.1: Cấu tạo cơ bản của cáp điện - Lõi dẫn gồm nhiều sợi đồng mềm hoặc nhôm cứng và được chia thành 2 dạng là lõi nén tròn và nén rẻ quạt. Lõi nén tròn gồm các sợi quấn đồng tâm nén chặt. Lõi rẻ quạt thường được tạo bởi bốn phần và thường áp dụng cho lõi có tiết diện lớn hơn 800 mm2, nhằm ngăn cản việc tăng điện trở xoay chiều gây ra do hiệu ứng bề mặt. - Màn chắn lõi: bao gồm nhựa PE bán dẫn để giảm thiểu ứng suất điện gây ra bởi bề mặt không đồng đều của hình dáng lõi bện. Vật liệu tạo lên màn chắn bán dẫn không làm ảnh hưởng đến lõi dẫn. Băng bán dẫn thường được dùng như một lớp ngăn cách giữa lõi và màn chắn bán dẫn. - Cách điện: vật liệu cách điện là nhựa PE liên kết ngang (XPLE). Màn chắn lõi, cách điện và màn chắn cách điện được ép đùn đồng thời trên cùng một dây chuyền và liên kết chặt chẽ với nhau, loại bỏ hoàn toàn các lỗ hổng không khí có khả năng sinh ra giữa các lớp. Các thông số và điều kiện áp suất luôn được kiểm soát một cách chặt chẽ trên toàn bộ quy trình sản xuất. Chiều dày lớp cách điện là giá trị lớn nhất xác định được từ việc thiết kế điện áp xoay chiều và điện áp xung. Quy trình liên kết ngang bằng hơi nước thông thường luôn làm giảm khả năng cách điện do sinh ra hiện tượng cây nước sau một thời gian sử dụng. Công nghệ mới lưu hóa khô sử dụng khí N2 được áp dụng làm tăng đặc tính cách điện dẫn đến giảm bớt chiều dày cách điện cũng như đường kính ngoài của cáp Sau đây là một số ví dụ về cáp màn chắn sợi đồng và cáp vỏ chì hoặc vỏ nhôm 7
Hình 1.2: Các loại cáp Bảng 1.2: Cấu tạo của cáp Tên gọi Công dụng Ghi chú STT Lõi cáp Dẫn điện 1 -Với tiết diện dưới 800 mm2 lõi gồm các sợi đồng nhỏ, bện xoắn tròn. - Với tiết diện từ 800 mm2 trở lên lõi gồm nhiều múi, thường là 4 hoặc 5, 6 mỗi múi gồm các sợi đồng nhỏ bện xoắn lại. - Phần khe hở giữa các múi được lấp đầy bằng vật liệu chống thấm nước theo chiều dọc cáp. 8
Tên gọi Công dụng Ghi chú STT - Tiêu chuẩn áp dụng cho lõi cáp: IEC 60228, độ tinh khiết của đồng là 99,99%. Lớp bán dẫn Chống phóng điện -Vật liệu của lớp này là Polyethylene 2 cục bộ bán dẫn, có tác dụng làm giảm khả năng gây phóng điện cục bộ do bề mặt lồi lõm của cáp (tạo thành bởi các sợi đồng nhỏ). - Được ép đùn cùng lúc với lớp cách điện (3) và lớp bán dẫn (4) Lớp cách điện Cách điện cho cáp 3 -Cross-linked Polyethylene (XPLE) là loại vật liệu cách điện có nhiều ưu điểm nổi bật. - Chế tạo bằng công nghệ ép đùn Lớp bán dẫn Chống I-on hóa bề -Vật liệu của lớp này là compound 4 mặt cách điện bán dẫn, có tác dụng làm giảm khả năng gây ion hóa bề mặt lớp cách điện. - Được ép đùn cùng lúc với lớp cách điện (3) và lớp bán dẫn (2). - Đôi khi có thể thêm một lớp băng quấn cùng tính chất Lớp chống thấm dọc Chống nước thấm Chế tạo từ vật liệu trưng nở và bão 5 dọc theo khe hở giữa hòa nước khi gặp nước thấm vào ngăn lớp (4) và lớp (6) được nước thấm dọc theo cáp. Lớp màn chắn kim Tản dòng ngắn mạch Thường được sản xuất bằng dây đồng 6 loại khi có sự cố ngắn tôi luyện, hoặc nhôm. mạch xảy ra Lớp chống thấm Chống nước thấm Chế tạo từ vật liệu trưng nở và bão 7 hòa nước khi gặp nước thấm vào ngăn được nước vào cáp. 9
Tên gọi Công dụng Ghi chú STT Vỏ kim loại Bảo vệ cơ học cho Vỏ kim loại cáp là loại bằng nhôm, 8 cáp nhôm gợn sóng hoặc chì. Vỏ ngoài Bảo vệ chung 9 -Làm bằng PVC hoặc PE. -Có tác dụng bảo vệ lớp vỏ kim loại khỏi bị tác động ăn mòn điện hóa của môi trường. - Có thể phủ thêm 1 lớp chất bền nhiệt để chống cháy vỏ cáp khi có các đoạn cáp tiếp xúc với không khí). 1.2.2. Phân loại cáp điện HVAC Phân loại dây cáp điện: • Phân loại theo kết cấu ruột dẫn: - Dây điện dân dụng ruột dẫn cứng (một sợi cứng hoặc 7 sợi bện lại) - Dây điện dân dụng ruột dẫn mềm (nhiều sợi mềm bện lại với nhau) • Phân loại theo số ruột dẫn điện: - Dây đơn: Cu/PVC 1x….mm2 - Dây đôi: Cu/PVC/PVC 2x….mm2 - Dây ba ruột dẫn: Cu/PVC/PVC 3x….mm2 • Phân loại theo hình dạng vỏ bọc: - Dây dân dụng bọc tròn - Dây dân dụng dạng oval - Dây dân dụng bọc dính cách (dây sup) … 1.3. Ứng dụng của cáp điện trong hệ thống tru ền tải 1.3.1. Ứng dụng của cáp XLPE trong hệ thống cáp ngầm Hệ thống truyền tải điện bằng cáp ngầm đã có một lịch sử phát triển rất lâu trên thế giới, từ những năm 1811 người ta đã sử dụng cáp đồng bọc cao su tự nhiên đi ngầm dưới biển để sử dụng cho mục đích truyền tải thông tin. Tuy nhiên phải đến năm 1879, Borel một nhà khoa học người Pháp mới phát minh ra cách điện bằng sợi đay tẩm paraffin, nó được sử dụng để sản 10