Viện năng lợng
M số: I 174 Đề tài nckh

Nghiên cứu PHƯƠNG PHáP CHẩN ĐOáN
Và XáC ĐịNH ĐIểM Sự Cố CáP LựC
NGầM TRONG LƯới trung thế
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN VÀ XÁC
ĐỊNH ĐIỂM SỰ CỐ CÁP LỰC NGẦM TRONG LƯỚI
TRUNG THẾ MÃ SỐ : I 174

Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài ThS. Lê Công Doanh

Hà Nội – 2010
Tham gia thực hiện đề tài:
Số
TT
Chức danh khoa học, học
vị, họ và tên
Tổ chức công tác Chữ ký
1 ThS. Lê Công Doanh Phòng KTĐ Cao áp- VNL
2 Vũ Thanh Hải Phòng KTĐ Cao áp- VNL
3 Phạm Hùng Phòng KTĐ Cao áp- VNL

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỂ CHẨN
ĐOÁN CHỚM SỰ CỐ CÁP LỰC NGẦM25
2.1 Đánh giá chung về các phương pháp giám sát sự cố cáp ngầm
online – offline
25
2.2 Kỹ thuật chẩn đoán cách điện với cáp lực trung áp
28
2.3 Phương pháp chẩn đoán off-line tần số 50/60Hz
34
2.4 Giám sát phóng điện cục bộ online ở cáp ngầm trung áp
37

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
ĐIỂM SỰ CỐ CÁP LỰC NGẦM52
3.1 Các phương pháp xác định điểm sự cố cáp lực ngầm
52
3.2 Sơ đồ phối hợp các phương pháp và thiết bị
68
3.3 Ứng dụng phương pháp cảm ứng trong dò tìm sự cố cáp ngầm 71

CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ VÀ KHUYẾN NGHỊ ĐỐI VỚI VIỆC ÁP

75


PILC: Cách điện giấy bọc chì Paper Insulated Lead Covered
PD: Phóng điện cục bộ Partial Discharge
RF: Tần số radio Radio frequency
TDR: Phản xạ kế miền thời gian Time domain reflectometry
VLF: Tần số rất thấp Very low frequency
WT: Biến đổi sóng Wavelet Transform
XLPE: Cách điện liên kết ngang Cross linked polyethylene insulated 4
MỞ ĐẦU
Trong hệ thống lưới điện Việt nam nói chung và lưới điện một số thành phố
lớn như Hà nội hay TP.HCM nói riêng, hiện nay phần cáp ngầm trung áp
chiếm một tỷ lệ đáng kể. Với các yêu cầu về mặt mỹ quan đô thị, mức độ tin
cậy vận hành cao và giảm khoảng cách an toàn trong vận hành, do vậy xu
hướng ngầm hoá vẫn đang tiếp tục đượ
c thực hiện. Đi cùng với việc ngầm
hoá hệ thống cáp trung áp gồm có các phương pháp và thiết bị kèm theo để
kiểm tra, giám sát và tìm kiếm chỗ hư hỏng. Hiện tại trong việc giám sát hệ
thống cáp có rất nhiều phương pháp nhưng nổi trội vẫn là phương pháp
phóng điện cục bộ (PD) giám sát on-line và off-line, ngoài ra còn có phương
pháp phản xạ kế miền thời gian TDR dùng để thu thập số liệu và phân tích
các hình ảnh từ
đó đưa ra các nhận xét chính xác về chớm hư hỏng cáp
ngầm. Hơn nữa trong quá trình vận hành đối với cáp ngầm theo thống kê từ
các đơn vị điện lực thường hay xảy ra sự cố phần lớn do đào bới, máy móc
thiết bị va chạm, các hộp đầu nối không đảm bảo… xảy ra trên tuyến cáp.
6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁP LỰC NGẦM TRUNG ÁP TẠI
VIỆT NAM VÀ CÁC CƠ CHẾ GÂY LÃO HOÁ CÁCH ĐIỆN

1.1 Giới thiệu chung
Sự nghiên cứu về những hư hỏng và phát triển các phương pháp xác định, dò
tìm sự cố chính xác của cáp ngầm đang được thử thách ở quá khứ và hiện tại
với các đề tài nghiên cứu. Dò tìm sự cố đưa ra quyết định về một hư hỏng
hiện tạ
i, ở đó bao gồm cả việc xác định về mặt vật lý có thể xảy ra. Những
kỹ thuật dò tìm hư hỏng tại chỗ và các phương pháp xác định sự cố chính
xác đã được phát triển đối với hệ thống phân phối trên không. Tuy nhiên,
công nghệ xác định và dò tìm hư hỏng đối với hệ thống cáp ngầm vẫn đang
trong giai đoạn phát triển. Đặc biệt, những sự c
ố mới chớm đã hình thành
một phạm trù con của hư hỏng đối với hệ thống cáp lực và được bàn luận
nhiều ở những nghiên cứu gần đây. Những hư hỏng này bao gồm xử lý lão
hoá cách điện từ sự khởi đầu đến kết thúc trước khi dẫn đến hư hỏng nặng
nề. Từ một hình ảnh ở diện rộng, nhữ
ng sự cố mới chớm xem như là những
dạng không bình thường liên quan tới một vài dạng đã được liệt kê và nhận
biết đối với dấu hiệu hư hỏng về cáp lực. Về lịch sử, sự phát triển của hệ
8

Hình 1.2: Cáp ngầm trung áp 3 lõi ruột dẫn, có giáp bằng thép bảo vệ DSTA
- 12/20(24)kV

Hình 1.3: Cáp ngầm trung áp 3 lõi ruột dẫn, có giáp sợi thép bảo vệ SWA -
12/20(24)kV

Hình 1.4: Cáp ngầm trung áp 3 lõi ruột dẫn, cách điện XLPE, có màn chắm
kim loại băng đồng, vỏ bọc PVC - 12/20(24)kV

9
1.1.2 Các dạng hư hỏng có thể gặp ở cáp ngầm
(1) Chạm đất một pha: Hỏng cách điện của một pha với vỏ hoặc màn
chắn kim loại.
(2) Ngắn mạch nhiều pha: Hỏng cách điện giữa hai hoặc hơn hai pha có
chạm đất hoặc không chạm đất (cách điện của mỗi pha với vỏ hoặc
màn chắn kim loại hỏng hay không hỏ
ng).
(3) Đứt lõi dẫn dòng: Của một hoặc nhiều pha có chạm đất hoặc không
chạm đất (cách điện của mỗi pha với vỏ hoặc màn chắn kim loại
hỏng hay không hỏng).
(4) Ngắn mạch chập chờn: Điện trở cách điện của một hoặc nhiều pha so
với vỏ, màn chắn hoặc với nhau có trị số không ổn định.
(5)
Dạng hư hỏng phức tạp: Là tổ hợp của các dạng hư hỏng trên.
1.2 Các cơ chế lão hoá đối với cách điện cáp ngầm
Hư hỏng cách điện là một hiện tượng không thể tránh khỏi trong hệ thống

cục bộ, cây điện, và cây nước đấy là những hiện tượng gây hư hại thông
thường nhất mà chúng ta đã biết.
Bảng 1.1: Các cơ chế lão hoá cách điện cáp lực

Hệ số lão hoá Các cơ chế lão hoá
Nhiệt độ cao
Chu trình nhiệt
Phản ứng hoá học
Giãn nở vì nhiệt
Khuếch tán
Nóng chảy cách điện
Nhiệt luyện các ứng suất bởi
cơ chế đóng
Nhiệt
Nhiệt độ thấp
Cracking
Sự co thể tích do nhiệt

11
Điện áp, DC, AC, Xung
Phóng điện cục bộ
Cây điện
Cây nước
Nạp phát điện
Đánh thủng ở bên trong
Tổn thất điện môi và điện dung
Điện
Dòng điện Quá nhiệt
Cơ khí
Chỗ uốn cong, độ rung, độ

tục ban đầu có thể được xem như là đánh thủng, hoặc phóng điện qua chỗ
trống.
Để bắt đầu cho một phóng điện cục bộ, kích thước lỗ trống đạt đến mức giới
hạn cuối cùng đối với sự phát triển của một sự phóng đ
iện. Đối với cách
điện XLPE, kích thước tới hạn này cỡ 0,03 mm đối với lỗ trống hình cầu
được điền đầy không khí ở áp suất khí quyển. Điện áp khởi đầu bởi phóng
điện PD là một hàm số của kích thước lỗ trống, nơi lỗ trống nằm trong vật
liệu và liên quan đến các hình dạng, độ dày cách điện và kích thước dây dẫn.
Kích thước lỗ tr
ống 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 hư hại tới lớp bao quanh lỗ trống
kể cả về mặt vật lý và hoá học, điều đó có thể dẫn đến lần lượt hình thành
với các dạng cây như ban đầu.
1.2.2 Cây
điện
Sự hiện diện các ứng suất điện áp cao và đi trệch các hướng là yếu tố mang
đến ban đầu sự hình thành và sản sinh các cây điện (ET). Một cây điện có
thể bao gồm nhiều đường dẫn phóng điện như các nhánh và thân cây được
xuất phát từ thân cây đầu tiên.
Cấu trúc cây được nhìn rõ bên dưới kính hiển vi với điện môi thể đặc bởi các
mẫu khác nhau (Hình 1.5)
Cây đ
iện cũng có thể được 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 nước. Sự đòi hỏi điện trường xung quanh
cây điện lúc ban đầu là 150 KV/mm. Khởi đầu thông thường ET sẽ sinh ra

13

tất cả các nguyên nhân trên đều có sự hiện diện của nước làm tăng lên sự
hình thành của các cây nước. Sự không hoàn hảo lúc nào cũng tạo ra ở các
vùng có ứng suất về điện cao chúng gây tăng tốc lão hoá cục bộ. Những
vùng này cuối cùng trở thành nơi cho phóng điện cục bộ làm sinh ra cây
điện và cùng lúc đó dẫn đến một hư hỏng về điện môi đầy đủ.
Các vị trí có thể hư hỏng đã được dò tìm với cây điện, sau khi xác định và
tách ra khỏi lưới do vậy chiều dài còn lại của cáp sẽ trở nên tin cậ
y và có ý
nghĩa đối với cung cấp điện liên tục cho sau này.
Các phần phụ về cáp như các hộp nối và các đầu cuối thường bị lỗi do lắp
đặt vận hành của công nhân tay nghề thiếu kinh nghiệm hoặc sự xâm nhập
hơi nước dọc theo lớp tiếp giáp của phần phụ kiện và lớp cách điện của cáp.
Sự yếu kém về tay nghề bao gồm như phần c
ắt gọt màng bán dẫn không
bằng phẳng, các lớp cắt về cách điện, sự thiếu hụt của dầu mỡ bôi trơn

15
silicone, lỗ trống, dây truyền vận hành không chính xác và các chất nhiễm
bẩn. Những lý do không hoàn hảo trên hầu như luôn gây phóng điện cục bộ
khi điện áp đến một ngưỡng mức độ nào đó. Như trạng thái điện áp xác lập,
phóng điện cục bộ làm tăng lên mức độ nghiêm trọng và kết cục dẫn đến lỗi
hư hỏng hệ thống cáp.
1.4 Hiện trạng cáp ngầ
m trung áp tại Việt Nam
1.4.1 Hiện trạng sử dụng cáp ngầm
Điện lực Hà nội

Cáp ngầm sử dụng chủ yếu là cáp khô, 3 pha, cách điện XLPE, tiết diện
3*240 mm
2

Phú thành lưới 22kV; ngầm hóa từ 20% đến 100% cáp điện tại các quận-
huyện; Giai đoạn 2007 – 2008, ưu tiên ngầm hoá lưới điện một số tuyến
đường trung tâm ở các quận 1, 3, Bình Thạnh, Phú Nhuậ
n.
Giai đoạn 2008 - 2009, Công ty sẽ mở rộng khu vực ngầm hoá các tuyến
đường Hoàng Diệu, Nguyễn Tất Thành, Nguyễn Bàng, Hoàng Văn Thụ,
Phan Ðình Giót, Khu trường đua Phú Thọ, khu vực sân bay Tân Sơn Nhất.
Lưới điện ngầm hoá trong giai đoạn này khoảng 83 km. Giai đoạn 2009 -
2010, khu vực ngầm hóa sẽ mở rộng ở một số tuyến đường khu vực quận 2
với khối lượng khoảng 80 km.
Ð
ến năm 2010, Công ty sẽ ngầm hoá lưới điện trung thế đạt tỷ lệ 100% trên
các tuyến đường chính khu vực trung tâm Thành phố (các quận 1, 3, 5) và
đạt tỷ lệ 15-20% trên các tuyến đường chính của Thành phố. Công tác ngầm
hóa không chỉ góp phần nâng cao năng lực phục vụ của lưới điện Thành
phố, cung cấp điện ngày càng an toàn, ổn định, mà còn đem lại vẻ mỹ quan
đô thị.

17
Khó khăn trước tiên là vấn đề vốn đầu tư. Ngầm hoá hệ thống đường dây
điện cần chi phí gấp tới 4 - 5 lần so với hệ thống đường dây trên không. Do
đó, theo tính toán, vốn đầu tư cho ngầm hoá hệ thống đường dây điện giai
đoạn 2008 - 2010 của TP HCM ước tính khoảng trên 4.379 tỷ đồng và giai
đoạn 2011 - 2020 ước tính 12.975 tỷ đồng (năm thấp nhất cần huy động hơn
468 tỷ
đồng, năm cao nhất lên đến gần 1.700 tỷ đồng).
Tổng hợp khối lượng đường dây và sự cố hiện tại:
- Khối lượng cáp ngầm trung thế: 1277,38 km.
- Loại cáp: Cáp đồng 3 lõi bọc cách điện XLPE.
- Năm 2008: Hư cáp 13 vụ, hư hộp nối cáp 22 vụ, hư đầu cáp 2 vụ, đào

ngầm
Tại Việt Nam:
Các phương pháp và thiết bị dùng xác định sơ bộ:
Xác định sự nguyên vẹn của ruột cáp: những thiết bị đo có điện áp nhỏ (vạn
năng, đèn rò ), Mêgôm mét (tuy nhiên thiết bị đo có điệ
n áp lớn sử dụng có
thể dẫn đến phán đoán sai).
Đo điện trở cách điện của mỗi pha với vỏ (màn chắn kim loại) và giữa các
pha với nhau: Dùng Megôm mét 2500V hoặc 1000V kiểm tra cách điện của
từng pha cáp với đất và với nhau hoặc dùng vạn năng 20.000Ω/V để kiểm
tra sơ bộ. Trong một số trường hợp sử dụng Mêgôm mét không phát hiện
được sự suy giảm cách
điện thì có thể dùng thiết bị có điện áp một chiều lớn
hơn kết hợp đo dòng điện rò.
Các phương pháp và thiết bị xác định điểm hỏng trên đường cáp:
- Phương pháp cầu (cầu điện trở, cầu điện dung, cầu hạ áp, cầu cao áp )

19
- Phương pháp xung phản xạ
- Phương pháp đo sụt áp trên lõi và trên vỏ cáp
- Phương pháp đơn xung nhị thứ và đa xung nhị thứ (SIM và MIM)
- Phương pháp đo xung phản xạ để xác định tương đối chính xác vị trí hỏng
của cáp khi điện trở cách điện chỗ hư hỏng của cáp còn cao (cao giả tạo),
chập chờn phải dùng các phương pháp làm giảm cách điện chỗ hỏng của cáp
xuống
≤ 10 Ω.
- Phương pháp cảm ứng
- Phương pháp âm thanh (phóng điện dao động)
Các phương pháp làm giảm điện trở cách điện tại điểm hỏng của cáp
ngầm:

thiếu hụt polyethylen trọng lượng phân tử cao và polyethylen liên kết chéo
(XLPE). Hơn nữa làm chậm sự phát triển của cây nước, TR-XLPE đã được
thiết kế để duy trì tổn thất thấp và cường độ điện môi cao của XLPE. Cách
điện trên đã đượ
c đưa vào sử dụng từ năm 1983 và trong thời gian 22 năm,
TR-XLPE đã trở thành cách điện chiếm ưu thế và được sử dụng đối với cáp
phân phối ngầm trung áp ở Bắc Mỹ. Những năm gần đây với nhiều nghiên
cứu, kết quả đã chứng minh được độ ổn định của vật liệu ở trong môi trường
vận hành và không có sự hư hỏng
đối với cáp TR-XLPE.
* Kinh nghiệm sử dụng cáp cách điện TR-XLPE ở Châu Âu

21
Ở Châu Âu có một sự khác biệt so với Bắc mỹ đó là tầm quan trọng về vệ
sinh và ngăn ngừa đánh thủng về điện sau khi cách điện lão hoá trong nước.
Những nhà nghiên cứu đã tìm ra sự pha trộn của nhựa polyethylene đã sử
dụng trong XLPE với chất đồng trùng hợp copolymers. Kết quả là hạn chế
được sự đánh thủng về điện sau khi lão hoá trong nước dưới các
ứng suất về
điện. Vật liệu đó gọi là “Copolymer XLPE” được sử dụng vào khoảng đầu
thập niên 1980 và cũng cho một hiệu quả làm việc tuyệt vời đối với cáp
trung áp.
Cách điện TR-XLPE đã được sử dụng ở Bắc mỹ cũng đã được đánh giá ở
Châu Âu vào cuối thập niên 1980 với những kết quả tốt. Sử dụng cách điệ
n
làm chậm cây nước ở Châu Âu với hệ thống copolymer XLPE đã được xác
định là tốt. Ở Ý với sự chiếm ưu thế về sử dụng cáp cách điện EPR đối với
lưới trung áp, gần đây họ đã chuyển hoàn toàn sang sử dụng cách điện làm
chậm cây nước. Một vài quốc gia ở phía đông Châu Âu cũng đã ghi nhận và
thấy tầm quan trọng của việc sử d

Ở Châu Mỹ La tinh, xu hướng với lắp đặt cáp ngầm trung áp đối với mặt
thẩm mỹ đó là lý do để thực hiện (như giả
m tác động đến môi trường) do đó
có sự phát triển về việc sử dụng cáp ngầm. Dựa trên kinh nghiệm về lựa
chọn cách điện TR-XLPE trong 20 năm, đã tin tưởng về mặt giá trị đối với
ứng dụng cho hệ thống cáp ngầm. Lợi nhuận của TR-XLPE đối với hệ thống
cáp ngầm đã có kết quả trong việc chấp thuận và sử dụng chúng. Ở Mexico,
cách
điện TR-XLPE đã được chấp nhận dùng cho các ứng dụng cáp phân
phối. Ở Brazil, TR-XLPE đã đưa vào tiêu chuẩn của quốc gia kể cả cách
điện XLPE và EPR. Ngoài ra, cách điện TR-XLPE ở Chilê và Colombia
cũng đã được để sử dụng.