LÊ VIỆT PHƯƠNG

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

LÊ VIỆT PHƯƠNG

MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KHOÁ 2007– 2009
HÀ NỘI, 2010


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

LÊ VIỆT PHƯƠNG

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

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


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


-4-

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

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


-6-

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

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


-8-

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

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


- 10 -

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


- 11 -

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

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


- 13 -

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁP NGẦM ĐIỆN LỰC.
1.1.1. Khái quát về cáp ngầm điện lực.
Cáp là dây dẫn điện mềm được bọc cách điện và bọc vỏ kim loại, hoặc
vật liệu polymer để ngăn chặn các tác dụng bên ngoài đối với cách điện như
chênh lệch nhiệt độ cao, ngâm trong nước, ... Chúng phải chịu sự thay đổi
nhiệt độ lớn do dòng điện làm việc và điều kiện nhiệt độ môi trường. Khi đã
được lắp đặt xong, cáp phải vận hành tin cậy trong nhiều thập niên.
Cấu tạo của cáp gồm một (hay nhiều) dây dẫn chính (lõi), cách điện đối
với đất và giữa các lõi với nhau, vỏ kim loại và các lớp bọc bảo vệ.
D©y dÉn (lâi)

Emax
Vá bäc


để giảm kích thước của cáp, đồng thời còn phải có đủ độ bền cơ giới trong
phạm vi biến thiên tương đối rộng của nhiệt độ. Độ bền cách điện cao của vật
liệu cách điện cho phép giảm chiều dày cách điện, dẫn đến không chỉ làm
giảm chi phí cách điện và các vật liệu của lớp vỏ bọc mà còn cải thiện điều
kiện tản nhiệt và làm tăng dòng điện cực đại cho phép của cáp, cáp trở nên
mềm dẻo hơn.
Do tính chất các đường cáp cao áp thường lắp đặt ngầm nên có các yêu
cầu rất cao về độ tin cậy làm việc bởi đối với cách điện của các đường cáp
cao áp vì việc tìm kiếm các điểm sự cố và khắc phục chúng tốn nhiều thời
gian và công sức. Cũng cần nhấn mạnh rằng các đường cáp cao áp thường lắp
đặt từ nhiều đoạn khác nhau (chiều dài mỗi cuộn cáp từ 250 - 1000 m) nối với
nhau bởi những đầu nối cáp, mà những điểm nối này (măng sông) được thực
hiện tại hiện trường công nghệ của chúng thường kém hơn nhiều so với nếu
thực hiện trong nhà máy chế tạo cáp.
1.1.2. Phân loại cáp ngầm điện lực.
1.1.2.1. Theo kết cấu cách điện.
Tuỳ theo kết cấu cách điện, cáp được phân chia thành các loại sau đây:
a) Loại cáp tẩm dầu:
Loại cáp này còn được gọi là cáp đặc, mỗi lõi dẫn được cách điện bằng
giấy tẩm dầu (chứa dầu có độ nhớt cao). Dầu tẩm là loại chất lỏng cách điện
có nguồn gốc từ dầu mỏ pha nhựa thông để tăng độ nhớt và ngăn chặn quá


- 15 -

trình oxy hoá và được bịt kín bằng một lớp kim loại ví dụ như vỏ chì. Tuy
nhiên cáp đặc thường tạo ra các khoảng trống (lỗ hổng) trong cách điện, có
thể dẫn đến hiện tượng ion hoá do đó độ tin cậy của cáp đặc thấp. Ở điện áp
cao người ta chế tạo cáp một sợi, cáp này bao gồm một lõi bằng đồng hoặc
nhôm vặn xoắn rỗng. Dây dẫn rỗng lưu thông dầu dưới áp suất cao để tẩm

lõi. Trong loại cáp này dầu có áp suất cao sẽ chảy dọc theo đường cáp để lấp
kín các bọt khí được hình thành trong thời gian của các chu trình nhiệt, cáp
dầu là đại diện cho cáp áp lực. Dầu được lưu thông bên trong cáp, áp suất dầu
trong cáp được duy trì cao hơn áp suất không khí để ngăn chặn các lỗ trống
phát sinh trong cách điện đồng thời tăng áp suất dầu trong cáp còn có mục
đích tăng khả năng cách điện của dầu và giảm kích thước của cáp. Trước hết
các lõi cáp được chế tạo từ các dây dẫn có tiết diện đặc biệt, không phải bằng
dây dẫn tròn như đối với loại cáp dưới 35kV do đó bề mặt của lõi cáp bằng
biện pháp này trở nên nhẵn hơn. Ngoài ra lõi cáp còn phải được bọc bởi một
lớp giấy phủ chất bán dẫn điện để tránh tạo thành những điểm điện trường
tăng cục bộ trên bề mặt lõi.
Theo áp suất dầu, cáp đổ dầu được phân thành các loại là cáp áp suất thấp
(đến 0,2 MPa), áp suất trung bình (0,4-0,5 MPa) và áp suất cao (0,8-1,6 MPa).
Ưu điểm của loại cáp đặt trong đường ống kim loại là đơn giản được
kết cấu của lớp vỏ bọc chịu áp lực. Đa số các loại cáp đổ dầu đều có áp suất
3-5 at, nên ưu điểm nổi bật của loại cáp này là cường độ trường xoay chiều có
thể đạt tới 6-8 kV/mm, gấp gần ba lần so với loại cáp tẩm dầu điện áp 22-35
kV. Nếu tăng áp suất lên 10 - 15 at thì cường độ trường cho phép có fhể 10 15 kV/mm nhng kết cấu rất phức tạp và phải tăng cường bằng những đai lớn.
Nhược điểm của cáp đổ dầu là nó đòi hỏi các thiết bị phụ trợ, ví dụ
thiết bị cấp dầu, nên làm tăng khối lượng công việc khi lắp đặt cáp đặc biệt
tăng đáng kể lượng dầu và hệ thống đảm bảo áp suất dầu phức tạp hơn cũng
như mặt bằng để lắp đặt các thiết bị này.


- 17 -

c) Loại cáp chứa khí nén:
Đây là loại cáp chứa khí nitơ tương tự như cáp đổ dầu. Lõi cáp sau mỗi
pha khi bọc cách điện (giấy cáp) và bọc vỏ chì sẽ được đặt trong ống thép
chứa khí nén.

dẫn điện được bọc cách điện riêng rẽ. Khoảng trống ở giữa và xung quanh lõi
được chèn chất độn để tạo ra bề mặt tròn sau đó bọc cách điện. Cáp này được
gọi là kiểu đai. Người ta còn quấn đai thép xung quanh vỏ ngoài để chống va
chạm cơ học khi đào bới cáp chôn ngầm vì không có dòng điện xoáy cảm ứng
trong đai thép cáp 3 pha; nhưng với cáp một lõi đơn thì dòng này tồn tại dẫn
đến tăng tổn hao và điện cảm của đường dây.
Với cáp 3 lõi thì phân bố điện trường trong cáp ba lõi không hoàn toàn
xuyên tâm, tạo nên thành phần trường theo bề mặt tiếp tuyến với bề mặt cách
điện là hướng độ bền điện của cách điện yếu nhất. Để khắc phục, người ta
quấn quanh mỗi lõi một lớp dẫn điện bằng giấy kim loại hoặc màn che chắn
bằng dây dẫn đồng để chuyển cáp 3 lõi chung thành cáp 3 lõi đơn về mặt điện
học, như vậy cường độ điện trường hoàn toàn theo phương hướng tâm.
Một màng giấy bán dẫn điện được phủ bên ngoài lõi của cáp nhằm hạn
chế tăng điện trường cục bộ trên bề mặt dây dẫn. Loại vật liệu này gồm bột than
trộn với đồng polyme giữa ethylen và vinyle acetate (điện trở suất 5.10-2 Ωm).
Vật liệu cách điện của cáp là polymer. Polymer được tổng hợp từ các
phân tử monomer. Phần lớn các vật liệu cách điện hiện đại đều được sản xuất
bằng phương pháp tổng hợp. Về phương diện kỹ thuật, các polymer quan
trọng được phân loại thành:
Polymer

nhiệt

dẻo

(Polyvinylchloride

PVC,

Polyethylen

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


- 20 -

Hiện nay có xu hướng sử dụng nhôm để chế tạo lõi dẫn điện của cáp
điện nhưng cần có biện pháp đấu nối sao cho tin cậy và chắc chắn. Lý do chính
cho việc dùng nhôm là giá cả của nhôm trên thị trường ổn định và rẻ hơn đồng.
Bảng 1.1 dưới đây trình bày tính chất cơ bản của vật liệu lõi dẫn điện.
Bảng 1.1. Tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện
Điện trở suất (ρ)

Mật độ (σ)

Giá cho

10-6Ω.cm

g/cm3

một pound ($)

Đồng đỏ


- Khả năng mang tải lớn cả trong chế độ vận hành bình thường, cũng
như chế độ sự cố ngắn mạch do có khả năng chịu nhiệt cao.
- Có hằng số điện môi thấp nên giảm được rất nhiều ảnh hưởng nhiệt
do tổn hao điện môi.


- 21 -

- Không cần phải điều áp để ổn định điện môi, do đó các phụ kiện sẽ
đơn giản hơn và không phải lắp đặt các thiết bị điều áp.
- Cách điện của cáp ở thể rắn nên có thể lắp đặt ở mọi dạng địa hình:
địa hình dốc hay tại những nơi có độ cao thay đổi.
- Hệ thống cáp không gây ảnh hưởng môi trường do cách điện rắn,
không có nguy cơ rò rỉ dầu như các loại cáp dầu.
- Có trọng lượng tương đối nhẹ nên rất thuận lợi trong việc vận chuyển
cũng như lắp đặt.
Vì vậy nghiên cứu cấu tạo, kỹ thuật lắp đặt và vận hành cáp trong lưới
điện trung áp hiện nay chính là nghiên cứu cho cáp điện lực dùng cách điện
polymer ruột đồng.
1.2. CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA CÁP NGẦM TRUNG ÁP SỬ DỤNG
CÁCH ĐIỆN POLYMER.
1.2.1. Cấu tạo chung của cáp cách điện bằng polymer
Loại cáp khô dùng cách điện polymer XLPE (polyethylen mạch vòng)
dùng cho mục đích truyền tải được nghiên cứu vào những năm 60 của thế kỷ
XX. Loại cáp này gồm lõi cáp bằng đồng hoặc nhôm bện với cách điện ép và
được bảo vệ bởi lớp vỏ kim loại và lớp bọc chống ăn mòn.
C¸ch ®iÖn

®ai


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


- 23 -

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

H

H

H

H

C

C



- 24 -

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

H

H

H

H

C

C

C

C

C