BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----oOo-----
NGUYỄN ĐỨC KHÁNG
NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH LẮP ĐẶT
VÀ KHẢ NĂNG TẢI ĐIỆN CỦA CÁP TRUNG ÁP
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG
Hà Nội - Năm 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố
Tác giả
Nguyễn Đức Kháng
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TẠO CÁP ĐIỆN TRUNG ÁP ................ 3
1.1. Vật liệu dẫn điện trong cáp điện. ........................................................................... 4
1.1.1.Yêu cầu kỹ thuật. .................................................................................................... 4
2.3.Lựa chọn loại cáp ................................................................................................... 41
2.4. Lắp đặt cáp. ........................................................................................................... 44
2.4.1. Đặt cáp trong đất............................................................................................ 46
2.4.2.Đặt cáp trong khối cáp và máng cáp................................................................ 50
2.4.3. Nối đất ........................................................................................................... 51
2.5. Nhận xét ................................................................................................................ 53
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TẢI CỦA CÁP TRUNG ÁP ............. 55
3.1. Phân bố điện trường – Từ trường cáp điện ...................................................... 55
3.1.1. Điện trở trong cáp điện ....................................................................................... 55
3.1.2. Điện trường trong cáp điện ................................................................................. 55
3.1.2.1. Điện trường trong cách điện một lớp ................................................... 55
3.1.2.2 Điện trường trong cách điện có nhiều lớp ............................................. 57
3.1.2.3. Điện trường trong cách điện phân chia bằng màn chắn ........................ 59
3.1.2.4.Độ từ cảm và điện kháng của đường dây ............................................... 62
3.1.2.4.1.Tự cảm ..................................................................................................... 62
3.1.2.4.2. Hỗ cảm ................................................................................................... 63
3.1.2.4.3. Độ từ cảm và điện kháng của dây dẫn ................................................... 63
3.2. Dung dẫn của đường dây .................................................................................... 65
3.2.1. Cường độ điện trường .................................................................................. 65
3.2.2. Điện dung của cáp đơn pha .......................................................................... 65
3.3. Xác định hỗ cảm giữa các dây dẫn ..................................................................... 67
3.4. Nhận xét ................................................................................................................ 69
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA CÁP NGẦM TRUNG
ÁP CÁCH ĐIỆN XLPE......................................................................................... 71
4.1. Giới thiệu về phần mềm CYMCAP ...................................................................... 71
4.1.1. Tổng quan về CYMCAP ................................................................................ 71
4.1.2. Giao diện của CYMCAP (GUI) ..................................................................... 71
4.3.Tính khả năng mang dòng của cáp ngầm trung áp cách điện XLPE theo thông
Hình 5: Cáp một lõi có vỏ bọc
Hình 6: Cấu tạo cáp điện ba pha
Hình 7: Phân bổ điện thế khi có lớp bán dẫn
Hình 8: Cáp điện một lõi 0,6/1(1,2)kV cách điện XLPE
Hình 9: Cáp điện ba lõi 0,6/1(1,2)kV cách điện XLPE
Hình 10: Cáp điện một lõi 3,6/24 kV cách điện XLPE
Hình 11: Cáp điện ba lõi 3,6/24 kV cách điện XLPE
Hình 1.12: Cáp điện hạ thế vặn xoắn trên không ba lõi
Hình 13: Cáp điện hạ trung thế vặn xoắn trên không ba lõi cách điện XLPE
Hình 14: Một số loại đầu cáp trong nhà và ngoài trời
Hình 15: Đầu nối cáo elbow
Hình 16. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến khả năng tải của cáp
Hình 17: Chiều dài cách điện của cáp ba pha có đai
Hình18: Điện trường trong cáp cách điện một lớp
Hình 19: Điện trường trong cách điện nhiều lớp
Hình 20: Điện trường trong cách điện phân chia bằng màn chắn
Hình 21: Điện dung của các loại cáp khác nhau.
Hình 22: Giao diện chính của phần mềm CYMCAP
Hình 23: Các thư viện trong cửa sổ Navigator
Hình 24: Các kiểu lắp đặt của CYMCAP
Hình 25: Các thư viện trong cửa sổ Navigator
Hình 26 Cấu trúc của cáp LS Vina Cables
Hình 27: Cấu trúc của cáp LS Vina Cables
Hình 28: Cáp đơn pha 24kV thiết lập bằng CYMCAP
Hình 29: Cáp 3 lõi 24kV thiết lập bằng CYMCAP
Hình 30: Cáp 3 pha chôn trực tiếp, bố trí cấu hình ngang
Hình 31: Kết quả tính toán cáp 3 pha chôn trực tiếp, cấu hình ngang
Khả năng mang dòng do nhà sản xuất cung cấp, dòng điện tính toán
Bảng 17: Khả năng mang dòng của cáp 240mm2, chôn trực tiếp
Bảng 18: Khả năng mang dòng của cáp 240mm2, đặt trong ống
Bảng 19: Ảnh hưởng của nhiệt trở suất đến khả năng mang tải của cáp
Bảng 20: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường lắp đặt đến khả năng
mang tải của cáp
Bảng 21: Ảnh hưởng của độ sâu lắp đặt đến khả năng mang tải của cáp.
1
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các đô thị hiện nay, mật độ phụ tải điện ngày càng
cao gây sức ép lớn đến việc cung cấp điện. Hệ thống cung cấp điện ngoài yếu tố kỹ
thuật còn phải đảm bảo yếu các tố mỹ quan, cảnh quan đô thị không chỉ trong các
toà nhà, các đường dây trên không trong thành phố đã và đang được thay thế bằng
hệ thống cáp ngầm tại mọi cấp điện áp. Việc ứng dụng cáp điện ngày nay trở nên
phổ biến và là yêu cầu bắt buộc đối với tất cả các công trình xây dựng mới cũng
như cải tạo.
Để đáp ứng được nhu cầu của xã hội, ngày càng nhiều chủng loại cáp ra đời
đáp ứng các yêu cầu của người sử dụng. Cùng với đó đòi hỏi người thiết kế phải
quan tâm đến các đặc điểm riêng biệt của từng loại cáp nhằm đạt được ứng dụng tốt
nhất trong công trình.
Với mật độ phụ tải cao, việc sử dụng cáp điện có tiết diện lớn gây không ít khó
khăn trong việc thi công cũng như vận chuyển. Không dừng ở đó, với điều kiện
không gian hạn chế và thi công thủ công bằng sức người việc sử dụng cáp ba pha ba
dây (với cáp trung, cao thế), ba pha bốn dây (với cáp hạ thế) trở nên không khả thi
trong nhiều trường hợp. Từ yêu cầu thực tế cho thấy, việc nghiên cứu lắp đặt cáp và
tính toán khả năng tải điện của cáp trung áp là cần thiết. Do mỗi loại cáp có các đặc
điểm riêng biệt của mình, khi sử dụng cáp điện trung áp cũng đòi hỏi người thiết kế
phải quan tâm và giải quyết một số yêu cầu kỹ thuật trong quá trình sử dụng.
vững chắc trong suốt khóa học vừa qua.
- Do tài liệu tham khảo cũng như thời gian và khả năng nghiên cứu còn nhiều
hạn chế, bản luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong
nhận được sự bổ sung, góp ý hoàn thiện nội dung từ các thầy, các chuyên gia và bạn
bè đồng nghiệp cho bản luận văn này.
Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2014
HỌC VIÊN
Nguyễn Đức Kháng
3
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TẠO CÁP ĐIỆN TRUNG ÁP
1.1. Vật liệu dẫn điện trong cáp điện.
1.1.1.Yêu cầu kỹ thuật.
- Vật liệu dẫn điện phải đảm bảo khả năng truyền tải dòng công suất một cách
kinh tế và hiệu quả. Việc lựa chọn vật liệu dẫn điện, kích thước phải thoả mãn một
số điều kiện:
- Khả năng mang tải
- Phù hợp với cấp điện áp
- Tổn thất thấp
- Tính mềm dẻo, khả năng chịu uốn tốt
- Thoả mãn các điều kiện kinh tế
- Khả năng thay thế
- Đặc tính hoá học
- Thường lựa chọn các kim loại có điện trở suất thấp để làm vật liệu dẫn điện.
đồng, crôm, niken (trong không khí)
- Điện dẫn của Cu có thể thay đổi rất mạnh khi có tạp chất. Ví dụ nếu trong
đồng có 0,5% Zn, Cd, Mg thì điện dẫn của Cu có thể giảm đi 5%, và nếu cũng có
chừng đó các chất Ni, Sn, AI thì có thể giảm đến 25% - 40%; còn nếu có tạp chất
Ba, As, p, Si thì có thể đến 55%. Vì vậy để làm vật dẫn thường chỉ dùng đồng điện
phân chứa 99,9% Cu; nếu có ôxi thì đồng sẽ bị giòn.
5
- Đồng không có ôxy: Là đồng có độ bền cơ học rất tốt, trong nó không chứa
quá 0,05% tạp chất và trong lượng tạp chất ấy thì lượng ôxi không quá 0,02%.
- Đồng cứng: Có sức bền cao, độ giãn dài bé, rắn và đàn hồi khi uốn.
- Đồng mềm: Được nung nóng xong để nguội, nó ít rắn, sức bền cơ học kém,
độ dãn khi đứt rất lớn, điện dẫn suất cao.
- Cả 2 loại đều có hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ như nhau.
- Về công dụng thì đồng cứng dùng ở nơi nào cần có sức bền cơ học cao, độ
rắn lớn chịu được sự mài mòn còn đồng mềm thì được dùng ở nơi nào cần có độ
uốn lớn và sức bền cơ giới không đáng kể.
l
l
Hình 2: Quan hệ giữa ứng suất cơ khí kéo dây dẫn với độ dãn dài tương đối 1: Dây
sản xuất bằng cách kéo nguộn; 2: Dây đã được ủ.
- Các hợp kim của đồng :
Ωmm2/m
0,01748
-Dây mềm
-
0,01786
-Dây cứng
-
- Hệ số thay đổi của điện trở suất theo nhiệt độ
l/°C
0,00393
w/cm.độ
3,92
cal/cm.s.độ
0,938
- Nhiệt độ nóng chảy
- Môđun đàn hổi, E
13.000
- Sức bền đứt khi kéo
Dây mềm
kG/mm2
21
Dây cứng
kG/mm2
45
- Kéo dài (riêng) ngang khi đứt
%
50 (mềm)
- Độ cứng Brinell
kG/mm2
2 (cứng)
0,54 ÷ 0,43
0,83 ÷ 1,17
Nhiệt lượng riêng c [W.s/g.°C]
0,39
Trọng lượng riêng γ [g/cm3]
8,9
7,4
8,3
Độ cứng Brinell HB [kG/mm2]
35/ 95
80/200
40/120
Ứng suất kéo được σkđ
21/45
50/85
8
sẽ đắt hơn so với đồng). Nhược điểm của nhôm là có độ bền cơ học thấp và khó hàn
so với đồng.
Bảng 3: Các hằng số và hóa học chính của nhôm
Tính chất
Đơn vị đo
Chỉ tiêu
- Trọng lượng riêng ở 20°C
kg/dm3
2,7
- Điện trở suất ở 20°C
Ωcm. 10-6
2,941
- Điện dẫn suất ở 20°C
Ω-1.cm.10-6
0,34
93
- Điểm sôi ở 760 mm cột thuỷ ngân
°C
2270
- Hệ số dãn nở dài trung bình (20÷100°C)
l/°C
23,8.10-6
- Nhiệt độ tái tạo tinh thể
°C
7200
- Môđun đàn hồi
kG/mm2
9 mềm
- Sức bền đứt khi kéo
kG/mm2
nhôm còn giảm mạnh hơn nữa khi tạp chất là Ti, Mn. Trong nhôm kỹ thuật tạp chất
chủ yếu là Fe và Si.
Hợp kim Aldrey: có khoảng 0,4% Mg, 0,5% Si, 0,3% Fe.
Điện trở suất ρ = 0,0317 Ωmm2/m, độ bền cơ học gần bằng đồng nhưng nhẹ
như nhôm nguyên chất nên được dùng làm đường dây tải điện trên không có
khoảng cách giữa các cột lớn.
Nhôm kỹ thuật A, E: có lượng tạp chất nhỏ hơn 0,5%, được ủ mềm ở nhiệt
độ từ 330°C đến 370°C được dùng làm dây dẫn có điện trở suất nhỏ.
Nhôm A- 97: chứa không quá 0,03% tạp chất
Nhôm A- 999: lượng tạp chất nhỏ ≈ 0.001%
Nhôm kỹ thuật: có chứa tạp chất chủ yếu là Fe và Si.
1.2. Vật liệu cách điện trong cáp điện.
1.2.1.Phân loại vật liệu cách điện.
Phân loại theo trạng thái vật lý
- Vật liệu cách điện (VLCĐ) thể khí.
- VLCĐ thể lỏng.
- VLCĐ thể rắn: có thể phân thành các nhóm cứng, đàn hồi, có sợi, băng,
màng mỏng. Giữa thể lỏng và thể rắn có một thể trung gian (thể mềm nhão)
như các loại sơn tẩm.
Phân loại theo thành phần hoá học
-VLCĐ hữu cơ: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên như cao su, xenlulo,
nhóm nhân tạo như phenol, vinyl…
-VLCĐ vô cơ: các chất khí, chất lỏng không cháy, sứ, gốm, mica, thủy tinh
Phân loại theo tính chịu nhiệt.
Khi chọn VLCĐ phải biết VLCĐ có tính chịu nhiệt theo cấp nào Y, A, E...
1.2.2.Vật liệu polyme.
Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp vật liệu, hiện nay vật liệu cách
điện ngày càng đa dạng thuận lợi trong việc chế tạo, sử dụng và vận hành. Các vật
Gồm các điện môi cấp Y nhưng tẩm sơn hoặc ngâm trong dầu
để giảm tác động hoá già của điện môi
E
120
Các loại nhựa hữu cơ có chất phụ gia chịu nhiệt như: nhựa
hetinac, epoxy, polyeste....
Các vật liệu có chứa các thành phần vơ cơ như: amiang, vật liệu
B
130
thủy tinh có kết cấu với các vật liệu hữu cơ tẩm bằng các vật
liệu có tính chịu nhiệt như sợi vải thủy tinh, nhựa epoxy với các
phụ gia
F
150
Các vật liệu mica, sản phẩm từ sợi thủy tinh không lớp đệm
hoặc các lớp đệm bằng vật liệu vơ cơ
H
180
dưới tác dụng của lực ở nhiệt độ nhất định, các phân tử có thể trượt lên nhau, có
nghĩa là phân tử cũng đủ năng lượng để thắng lực tương tác giữa các phân tử. Nói
cách khác, ở nhiệt độ nhất định nào đó vật liệu có thể chảy, trở thành dẻo và dưới
nhiệt độ này nó rắn trở lại. Polyme nhiệt dẻo loại vật liệu có giá trị thương mại quan
trọng nhất hiện nay.
- Polyme nhiệt rắn: là những polyme có khối lượng phân tử không cao lắm, có
khả năng tạo thành các polyme không gian.
- Phân loại theo lĩnh vực ứng dụng: theo cách này polyme được phân thành
các loại sau đây: chất dẻo, sợi, cao su, sơn và keo.
1.2.3. Hỗn hợp cách điện.
Hỗn hợp cách điện (compound) là hỗn hợp của những vật liệu cách điện khác
nhau như: nhựa, nhựa đường (bitum), xenlulo,... chúng được hoá lỏng bằng gia
nhiệt tới nhiệt độ đủ cao, sau đó được đông cứng khi làm lạnh nên thường được gọi
là compound.
- Theo công dụng có thể chia compound thành hai loại chính: một loại dành để
tẩm và một loại dùng để rót. Loại tẩm hay dùng để ngâm, tẩm cuộn dây máy điện.
Loại rót dùng để rót vào các hộp đầu cáp, vào vỏ máy biến dòng, vỏ các thiết bị
điện, lấp đầy những hốc lớn, các khe giữa những chi tiết khác nhau nhằm bảo vệ
cách điện khỏi độ ẩm, làm tăng điện áp đánh thủng của cách điện, tăng độ bền cơ
học của chúng...
- Theo tính chất có thể chia compound thành loại nhiệt cứng và loại nhiệt dẻo.
Compound nhiệt cứng là loại không bị mềm đi nữa khi đã được đông cứng khác với
loại nhiệt dẻo bị mềm đi khi bị nung nóng. Loại nhiệt dẻo dùng để rót hoặc tẩm như
compound bitum, chất điện môi dạng sáp, polyme nhiệt dẻo...
- Dầu cách điện
6. Polyzobutilen
- Vỏ bọc dây
7. Neopren
1.2.4. Nhựa cách điện
- Polyetilen (C2H4)n có độ bền về cơ tốt, chịu được axit, kiềm khi nhiệt độ tăng
độ bền cơ lại giảm, dùng làm chất cách điện cho dây cáp (cáp điện thoại, cáp điện
lực).
- Polystirol (C6 H8)n có tính cách điện cao, tính hút ẩm thấp, ở nhiệt độ thấp rất
giòn có khuynh hướng tạo ra những vết nứt ở bề mặt, kém bền đối với tác dụng của
dung môi, tính chịu nhiệt không cao.
Polyvinylclorit (C2H3Cl)n rất bền đối với nước, kiềm, axit loãng, dầu, xăng và
rượu. Dùng làm chất cách điện cho dây dẫn, vỏ bọc bảo vệ cho cáp, vỏ bình ắcqui.
14
Polytetraíloetilen (C2F4)n có tính chịu nhiệt cao 150°C, chịu được axit, kiềm,
không cháy, không hút ẩm, không dính nước kể cả các loại chất lỏng khác, không
chịu được tác dụng của vầng quang điện.
Bakelit: là loại nhựa nhiệt cứng, có độ bền cơ cao, ít co giãn, có tạo vết khi
gặp sự phóng điện. Dùng để tẩm cho gỗ, chế tạo các chất dẻo, nhựa ép lớp.
Gliptan: Độ bám dính, độ đàn hồi, độ bền hoá già do nhiệt và độ bền chống sự
tạo vết cao hơn bakelit. Dùng chế tạo sơn dán, sơn tẩm cho các thiết bị điện
Epoxy: là một chất lỏng nhớt, khi thêm vào chất làm đông sẽ đông cứng lại
thành một khối cách điện tốt và có độ chống thấm cao, bám dính tốt vào các vật liệu
Trùng hợp
Đa trị
Hữu cơ cơ bản
Hữu cơ
Phân loại nhựa theo
bản chất lý hoá của
chúng
Tên nhựa
Độ dãn
Nhiệt Hệ số dẫn
Độ
Giới hạn dài tương Độ chịu dẫn
nở nhiệt thấm
Tỷ trọng
bền kéo, đối khi nóng,
suất, theo chiều nước
g/cm 3
kG/cm2 kéo đứt,
°C
W/°C/c dài TKI sau 24
%
m
105,1/°C giờ, %
P,Ω.cm
ε
Tg δ
E,
kV/m
3
16-18
1,01
1015 - 1017 2,3-2,4 0,0001-0,0005 15-20
70-90
0,8
6-8
0,04
1016 - 1017 2,4-2,6 0,0001-0,0003 20-35
250
3,4
14
3-5
0,03-0,08
15-20
0,02-0,08
20-35
Polyamit
1,1-1,15 700-900
90
100-120
3
10-13
1,5
1013 - 1014
3-4
1-1,15 110-180
2
4-7
0,15
1013 - 1014
5-6,5
0,01-0,1
10-20
Polyeste
1,1-1,45 250-700
0,1-0,6 1013 - 1016
34,5
0,002-0,02
15-20
3-5
1.2.5.2.Nhựa thông (colofan).
Colofan là một loại nhựa giòn có màu vàng hoặc nâu được sản xuất từ nhựa
thông bằng cách chưng cất từ dầu thông.
Hình 3: Quan hệ ε và tg δ theo nhiệt độ khí f = 50 Hz của Colofan
Colofan có tính chất cách điện như sau: ρ = 1014÷1015 Ω.cm; Eđt = 15 kV/mm
và có hằng số điện môi ε và tg δ phụ thuộc vào nhiệt độ như hình vẽ 1.3, đặc trưng
cho điện môi cực tính. Nhiệt độ hóa dẻo của các loại colofan khác nhau vào khoảng
50 ÷ 70°C: Colofan ôxi hóa từ từ trong không khí, khi đó nhiệt độ hóa dẻo của nó
tăng nhưng độ hòa tan lại giảm đi.
Colofan hòa tan trong dầu mỏ được dùng vào việc ngâm tẩm cáp, ngoài ra nó
cũng được dùng để sản xuất ra rezinat là chất làm khô cho sơn dầu.
1.2.5.3.Nhựa côpan
Nhựa côpan là loại nhựa khó nóng chảy, có đặc điểm là bóng, rất cứng và
tương đối khó hòa tan. Người ta dùng nhựa côpan làm chất phụ gia cho sơn dầu
nhằm tăng độ màng cứng.
17
Copyright: Tài liệu đại học ©