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

-------------------------------

Vũ Xuân An

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
HỆ THỐNG CÁP NGẦM CAO ÁP

Chuyên ngành: Hệ Thống Điện
LUẬN VĂN THẠC SỸ HỆ THỐNG ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS, TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

HÀ NỘI, 04- 2008


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự nỗ lực phấn đấu của bản thân,
tác giả đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô, các bạn
bè và đồng nghiệp...
Trước tiên, tác giả vô cùng biết ơn và kính trọng tới thầy giáo hướng
dẫn PGS-TS. Nguyễn Đình Thắng đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn tôi trong quá
trình học tập cũng như làm luận văn. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các
thầy, cô giáo trong Bộ môn Hệ Thống Điện Trường ĐHBK Hà Nội đã tận
tình dạy bảo, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học tập tại
trường.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình giúp đỡ và đóng góp ý kiến
chuyên môn giá trị của các đồng nghiệp ở Viện Năng Lương và Công ty cổ
phần tư vấn xây dựng điện 1 - Tập đoàn điện lực Việt Nam.
Cuối cùng tác giả vô cùng biết ơn sự quan tâm, động viên của gia đình

2.4.5 Các kỹ thuật đặt cáp trong hầm không khí .......................................................................25
CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ NỐI ĐẤT PHA CỦA HỆ THỐNG ....................................................... 28
CÁP NGẦM CAO ÁP ................................................................................................................. 28
3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: ...........................................................................................................................28
3.2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN ..........................................................................................................29
3.2.1 Gradient điện áp cảm ứng dọc theo chiều dài cáp .........................................................29
3.2.2 Màn chắn và hoán vị. ...........................................................................................................32
3.3 ĐẤU ĐẤT VỎ CÁP Ở MỘT ĐIỂM .........................................................................................34
3.3.1 Điện áp duy trì ở vỏ..............................................................................................................34
3.3.2 Tuyến cáp dài (gồm nhiều đoạn) .......................................................................................34
3.3.3 Dây dẫn liên tục tiếp đất song song. .................................................................................34
3.3.4 Bố trí đường cáp. .................................................................................................................35
3.4 ĐẤU NỐI ĐẢO PHA ................................................................................................................36


3.4.1 Cơ sở bố trí mạch. ...............................................................................................................36
3.4.2 Đường cáp dài. .....................................................................................................................38
3.5 CHỌN HỆ THỐNG ĐẢO PHA ...............................................................................................40
3.5.1 Dùng một điểm đấu vỏ. .......................................................................................................40
3.5.2 Uu điểm của nối đất đảo pha..............................................................................................40
3.5.3 Chọn hệ thống nối đất đảo pha. .........................................................................................41
3.6 ĐIỆN ÁP DUY TRÌ TRONG VỎ.............................................................................................42
3.6.1 Giới hạn điện áp duy trì trong vỏ. ......................................................................................42
3.6.2 Đầu nối vỏ tại 1 điểm. ..........................................................................................................42
3.6.3 Đảo pha nối đất phân đoạn cáp. ........................................................................................42
3.6.4 Nối đất đảo pha liên tục.......................................................................................................43
3.7 VẤN ĐỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG CÁP CÓ ĐẢO PHA NỐI ĐẤT. ...............43
3.7.1 Quá điện áp sét. ...................................................................................................................43
3.7.2 Quá điện áp thao tác. ..........................................................................................................43
3.8 QUÁ ĐIỆN ÁP NỘI BỘ TRONG HỆ THỐNG KHÔNG CÓ THIẾT BỊ HẠN CHẾ ĐIỆN

4.12 CÁC TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO CÁP XLPE 1Cx1250 – 110kV và 1Cx1750 –
220kV ...............................................................................................................................................73
Sơ đồ khối tính toán:......................................................................................................................73
CHƯƠNG 5 .................................................................................................................................. 77
SO SÁNH CÁP NGẦM CAO ÁP VỚI ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG ................................ 77
5.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................................77
5.2 SO SÁNH CÁC ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH, KINH TẾ CỦA CÁP NGẦM CAO ÁP VỚI
ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG TẠI VIỆT NAM ...........................................................................77
5.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁP NGẦM CAO ÁP VỚI ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG ....79
CÁC PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 85


6

CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG CÁP
NGẦM CAO ÁP
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngành công nghiệp điện lực là một trong những ngành công nghiệp cơ
sở và quan trọng nhất đối với bất cứ quốc gia nào, đặc biệt là cho những nước
đang phát triển nhanh như nước ta. Trong hệ thống điện nói chung thì hệ
thống các đường dây truyền tải cao áp đóng một vai trò quan trọng. Trước kia
các đường dây truyền tải thường là các đường dây trên không với hệ thống cột
đỡ từ một mạch 3 dây dẫn đến thậm chí là 4 mạch 12 dây dẫn. Trong những
năm gần đây cùng với sự phát triển nhanh của đất nước đã hình thành rất
nhiều các thành phố lớn, dân cư đông đúc, với nhiều công trình và tòa nhà cao
tầng, và đặc biệt là việc đòi hỏi yêu cầu về thẩm mỹ của các thành phố hiện
đại thì việc xây dựng các đường dây truyền tải cao áp trên không gặp rất
nhiều khó khăn. Do đó việc xây dựng các đường dây tải điện cao áp bằng hệ
thống cáp ngầm đã trở thành một phần tất yếu của các hệ thống điện hiện đại

- Những vùng đất được dùng cho việc mở rộng các thành phố
trong tương lai, hoặc để mở rộng, phát triển các vùng dân cư.
b. Giải pháp hiệu quả về giá: Trong quá khứ chi phí cao là một trong
những nguyên nhân cản trở việc ứng dụng hệ thống cáp ngầm. Ngày
Luận văn tốt nghiệp cao học

Vũ Xuân An - HTĐ 2005-2007


8

nay với những phương pháp sản xuất tiên tiến, giá thành thấp, sự tiến
bộ về công nghệ sản xuất và lắp đặt và sự tăng lên về độ tin cậy, sự
chênh lệch về giá giữa đường dây truyền tải bằng cáp ngầm và đường
dây truyền tải trên không đã được thu nhỏ lại. Điều này có nghĩa là các
nhà hoạch định ngày càng quan tâm nhiều đến hệ thống cáp ngầm như
là một giải pháp có tính kinh tế và kỹ thuật hiệu quả lâu dài khi mà
những khó khăn về đất đai, cũng như yêu cầu về thẩm mỹ trong quá
trình phát triển hệ thống. Ngoài việc giảm cản trở tầm nhìn (tăng tính
thẩm mỹ) thì hệ thống cáp ngầm cũng yêu cầu một chi phí bảo dưỡng
thấp hơn so với đường dây trên không. Nhìn chung là chúng ít chịu
ảnh hưởng từ các hiện thời tiết như giông, sét, mưa bão…(Hình vẽ 1-2
minh họa ảnh hưởng của bão đối với cột đỡ của đường dây trên
không). Hơn nữa hệ thống cáp ngầm được sản xuất là dây dẫn đồng,
do đó có thể giảm đến khoảng 30% tổn thất so với đường dây trên
không. Chính vì vậy về lâu dài, có thể nói rằng đây là một giải pháp
chấp nhận được về mặt kinh tế.

Hình vẽ 1-2: Cột điện bị đổ sau bão



10

Hình vẽ 1-4: Cấu tạo của một cáp điện cao áp điển hình với cách điện XLPE

e. Giảm tổn thất trên hệ thống truyền tải: Hệ thống cáp ngầm truyền tải
điện cao áp có hiệu quả hơn so với đường dây trên không vì các dây
dẫn thông thường dùng hệ thống dây đồng và được vận hành ở nhiệt
độ thấp hơn.
f. Tăng khả năng giám sát: Để giảm thời gian mất điện, những người vận
hành hệ thống điện có thể sử giám sát hệ thống cáp ngầm bởi những
cảm biến nhiệt độ. Cảm biến cho phép cho phép dây cáp chấp nhận
một mức độ quá tải cho phép khi mà một phần nào đó trong hệ thống
điện bị sự cố. Điều này có nghĩa là, chúng ta có thể giám sát mức độ
quá tải toàn bộ hệ thống, hay nói cách khác mức bền vững của hệ
thống là tốt hơn. Trong trường hợp sự cố xảy ra đối với cáp, thì các
cảm biến hiện đại cho phép tìm và xác định chỗ xảy ra sự cố nhanh
hơn rất nhiều so với trước đây.
1.1.2 Trường điện từ của đường dây cáp ngầm truyền tải cao áp
Mặc dù hệ thống cáp ngầm đã được sử dụng từ khoảng hơn nửa thế kỷ
trước đây, tuy nhiên việc nghiên cứu, lắp đặt cũng như các vấn đề kỹ thuật và
tính toàn đối với hệ thống điện truyền tải điện ngầm cao áp vẫn còn là một
lĩnh vực thu hút nhiều sự quan tâm các nhà nghiên cứu và các công ty điện
Luận văn tốt nghiệp cao học

Vũ Xuân An - HTĐ 2005-2007


11


people spend more than 4h ours per day-0.2µT
- 2002 New substation in Queensland, Australia: Energex Ltd-0.4µT.
- 2004 The Netherlands Dept of the Environment proposal -0.4µT
1.2 NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN ĐỐI VỚI HỆ THỐNG ĐIỆN
TRUYỀN TẢI CÁP NGẦM CAO ÁP TẠI VIỆT NAM
Hiện nay, cùng với sự phát triển của đất nước, ngày càng có nhiều vùng
đô thị đông dân cư, với nhu cầu về điện năng cũng như nhu cầu về một đô thị
hiện đại, yêu cầu về thẩm mỹ, môi trường cũng như quĩ đất xây dựng hành
Luận văn tốt nghiệp cao học

Vũ Xuân An - HTĐ 2005-2007


12

lang tuyến thực tế, thì việc dùng hệ thống cáp ngầm là một yêu cầu bắt buộc
đối với các công ty điện lực. Trong thực tế lưới điện Việt Nam, hệ thống cáp
ngầm trung áp với cấp điện áp ≤ 35kV đã được lắp đặt và vận hành một cách
thành công ở rất nhiều thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh. Tuy
nhiên việc ứng dụng hệ thống cáp ngầm cho hệ thống đường dây truyền tải
cao áp vẫn còn mới mẻ, và chưa được nghiên cứu một cách có hệ thống đối
với một số công ty điện lực.
Cùng với sự phát triển của công nghệ lắp đặt cáp ngầm và với yêu cầu về
giảm tổn thất điện năng, tổn thất điện áp, ngày nay một số trạm biến áp trung
gian, với cấp điện áp cao từ 110kV, 220kV đang được xây dựng trong lòng
các thành phố nhằm mục tiêu đưa cấp điện áp cao vào trung tâm phụ tải, đảm
bảo cấp điện an toàn tin cậy cho các phụ tải quan trọng. Đối với các thành phố
Hà Nội, Hồ Chí Minh đã được yêu cầu đảm bảo độ tin cậy cấp điện cho phụ
tải theo tiêu chí (n-2). Tại thành phố Hồ Chí Minh đã có trạm biến áp GIS
220kV Tao Đàn, đường cáp ngầm 220kV Nhà Bè – Tao Đàn, trạm biến áp

1.2.1 Nội dung cơ bản của luận án.
Luận án này được trình bày cụ thể như sau:
Một số vấn đề chung về hệ thống cáp ngầm truyền tải cao áp, cũng như
những vấn đề cụ thể của hệ thống cáp ngầm cao áp tại Việt Nam được giới
thiệu trong chương 1. Chương 2 của luận án nghiên cứu về các giải pháp công
nghệ, ứng dụng cho hệ thống cáp ngầm cao áp tại Việt Nam. Cấu tạo cơ bản
của hệ thống cáp ngầm cao áp với cách điện XLPE, công nghệ lắp đặt cáp,
các giải pháp nối đất cáp ngầm cao áp. Chương 3 của luận án nghiên cứu về
đảo pha của hệ thống cáp ngầm cao áp. Chương 4 của luận án nghiên cứu và
tính toán vấn đề ảnh hưởng của trường điện từ sinh ra bởi đường dây cáp
ngầm cao áp cụ thể các phương pháp tính toán điện trường và từ trường của
đường dây cáp ngầm cao áp. Một số trường hợp tính toán thiết kế cụ thể được
trình bày trong phần này của luận án. Chương 5 của luận án sẽ so sánh ưu
nhược điểm của cáp ngầm cao áp với đường dây trên không và một số kết
luận đề xuất cho hệ thống cáp ngầm cao áp tại Việt Nam.

Luận văn tốt nghiệp cao học

Vũ Xuân An - HTĐ 2005-2007


14

1.2.2 Công cụ tính toán EMF
Trong luận văn này, phần mềm MATLAB được dùng để tính toán ảnh
hưởng của EMF đối với đường dây cáp ngầm cao áp. Do thời gian và yêu cầu
cụ thể của đề tài, chúng tôi chỉ giới hạn ở việc tính toán điện trường, từ trường
của cáp ngầm cao áp đưa ra các phương án đặt cáp tối ưu với các tiết diện
khác nhau.



Công dụng
Dẫn điện

Ghi chú
- 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.
- Tiêu chuẩn áp dụng cho lõi cáp: IEC 228, độ
tinh khiết của đồng là 99.99% điện trở một chiều
max ở 200 C là 0.0151 Ω/km

Luận văn tốt nghiệp cao học

Vũ Xuân An - HTĐ 2005-2007


16

2

Lớp

bán Chống

dẫn


dẫn

hoá

bề

i-on - Vật liệu của lớp này là compound bán dẫn, có
mặt tác dụng làm giảm khả năng gây i on hoá bề mặt

cách điện

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.

5

Lớp chống Chống
thấm dọc

nước Chế tạo từ vật liệu trưng nở và bão hoà nước khi

thấm dọc theo gặp nước thấm vào ngăn được nước thấm dọc
khe hở giữa theo cáp.
lớp (4) và lớp
(6)



17

dụng cho các đoạn cáp tiếp xúc với không khí).

2.2.2 Phụ kiện cáp
Hộp nối cáp:
Hiện nay, những loại hộp nối sau đã được phát triển cho cáp ngầm cao áp:
- Hộp nối dạng băng cuộn (Tape joint)
- Hộp nối dạng đẩy (Extrusion joint)
- Hộp nối dạng ghép nhanh (Hot splice joint)
- Hộp nối dạng chụp (Slip-on joint)
- Hộp nối composite (Composite joint)
Hộp nối đất vỏ cáp:
Có hai loại hộp nối đất vỏ cáp phân theo chức năng: hộp nối đất trực tiếp và
hộp nối đất đảo pha vỏ cáp.
- Hộp nối đất vỏ cáp trực tiếp dùng tại vị trí nối cáp bằng hộp nối thông
thường và tại trạm biến áp, dây nối là cáp 1 lõi.
- Hộp nối đất vỏ cáp loại đảo pha dùng tại vị trí nối cáp bằng hộp nối cáp
cách ly vỏ kim loại, dây nối đất là cáp đồng trục.
Đầu cáp:
Đầu cáp phải phù hợp với điểm đấu nối: Đối với trạm biến áp GIS sử dụng
đầu cáp loại cách điện SF6.
2.3 Các kỹ thuật nối đất bảo vệ
Nối đất được đặt song song với dây cáp dẫn điện chính để bảo vệ chống các
hư hỏng trong mạch cáp ngầm. Mục đích của dây cáp nối đất bảo vệ là để cho
đường dây trên không hoặc cáp ngầm mà được nối đất tại một điểm. Thiết bị
này cho phép phát hiện bất cứ sai sót, hư hỏng trong hệ thống cáp ngầm. Nó
cũng ngăn chặn việc khôi phục dòng diện trong những phần cáp hư hỏng bằng
cách cắt đường dây cáp đó ra khỏi hệ thống.


Hình vẽ 2-2: Nối đất trong hệ thống cáp ngầm có đảo pha

Luận văn tốt nghiệp cao học

Vũ Xuân An - HTĐ 2005-2007


19

Hình vẽ 2-3: Nối đất một điểm

Hình vẽ 2-4: Nối đất một điểm ở trung tính
Các hình vẽ trên đây mô tả một số các phương thức nối đất chủ yếu cho hệ
thống cáp ngầm cao áp.
2.4 CÁC KỸ THUẬT ĐẶT CÁP VÀ CHÔN CÁP
2.4.1 Giới thiệu chung
Cần phải cân nhắc đến các yếu tố sau đây:
Khi đặt cáp, cần cân nhắc đến vấn đề cơ khí đường dây. Ngoại trừ khía cạnh
về điện và nhiệt của việc thiết kế đường dây cáp, người ta cần phải cân nhắc
đến ảnh hưởng về cơ khí và nhiệt trong quá trình kéo căng dây cáp và lắp đặt
cũng như vận hành.
Sự ăn mòn dây cáp có thể đến từ các nguồn như hóa học, điện hóa, và từ
các vi khuẩn khử gốc sunphat. Chính vì vậy cần đặc biệt chú ý khi thiết kế
cáp ngầm qua những vùng có độ ăn mòn cao như nhà máy hóa chất, nhà máy
điện phân hay những vùng có nguồn ăn mòn cao.
Luận văn tốt nghiệp cao học

Vũ Xuân An - HTĐ 2005-2007


21

Hình vẽ 2-5: Một số cấu hình đặt cáp cơ bản

2.4.2 Các kỹ thuật chôn cáp trực tiếp trong đất
Phương pháp chôn cáp trực tiếp được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên
thế giới chủ yếu vì các đặc điểm cơ bản sau đây:
- Thời gian lắp đặt nhanh
- Giá thành tương đối rẻ so với các phương pháp chôn lắp đặt cáp khác
- Kỹ thuật chôn lấp đơn giản bằng việc dùng đất, hoặc cát thông thường để
chôn lấp , dễ thi công
Hình vẽ 2-6 mô tả chi tiết mặt cắt ngang của kỹ thuật chôn cáp trực tiếp

Hình vẽ 2-6: Mặt cắt ngang của máng đặt cáp chôn trực tiếp

Một số vấn đề cần lưu ý khi chôn lấp cáp trực tiếp:
Độ sâu của rãnh chôn cáp:

Luận văn tốt nghiệp cao học

Vũ Xuân An - HTĐ 2005-2007


22

Độ sâu này phải đảm bảo rằng cáp ngầm phải được bảo vệ khỏi các tác
động cơ khí như xe cộ, sự đào bới của các thiết bị … và phải đảm bảo mức độ
an toàn cho người trong trường có sự cố hư hỏng về điện trong cáp.
- Một số qui định như sau:
- Nơi công cộng: 1,30m-1,50m.


Độ sâu của mương đặt cáp:
Độ sâu của mương đặt cáp phụ thuộc vào từng loại cáp và từng cấp điện áp
khác nhau, khi tính toán độ sâu của mương cáp ngoài những yếu tố ảnh hưởng
của tác động cơ học từ mặt đất đến cáp thì phải lưu ý trường hợp khi mương
cáp không thể chôn sâu được cần phải đặc biệt chú ý tác động của lực động
điện khi có xảy ra ngắn mạch. Một số qui định như sau:
- Nơi công cộng: 1,40m
- Trong các trạm điện, hoặc nhà máy điện: 0,80m
Thông thường thì người ta phải nêm chặt sau mỗi lớp cách dầy khoảng
20cm để đảm bảo rằng mặt sàn và đất cát được nêm chặt.
Độ rộng của rãnh chôn cáp:
Độ rộng phụ thuộc và phương pháp đặt cáp và khoảng cách giữa các pha
phụ thuộc vào cấp điện áp, dòng điện cần phải truyền tải. Độ rộng của rãnh
chôn cáp sẽ tăng lên tỷ lệ thuận với các yếu tố sau:
- Khoảng không gian cho người làm việc.
- Số mạch đường dây cùng đặt trong một mương cáp
- Cần thềm lớp gạch chịu lực của mương
Luận văn tốt nghiệp cao học

Vũ Xuân An - HTĐ 2005-2007


24

2.4.4 Các kỹ thuật đặt cáp trong ống dẫn nhựa chôn ngầm
Phương pháp đặt cáp này có ưu điểm cơ bản so với các phương pháp chôn
cáp khác đó là: thông thường là những công việc kỹ thuật xây dựng có thể
được làm trước khi đặt, kéo cáp, do đó có thể tránh được các vấn đề đào, lấp
mương cáp trong thời gian dài, điều này làm giảm những ách tắc giao thông,

- Việc lắp đặt các ống: yêu cầu 4cm để lấp đầy bê tông giữa các ống
- Cần khoảng rộng 4cm ở cả hai mặt của mương cáp để thêm lớp gạch chịu
lực của rãnh cáp.
Khoảng cách các dây cáp đặt gần nhau
Khoảng cách này phụ thuộc vào việc tính toán ảnh hưởng nhiệt độ dùng để
tính toán công suất truyền tải của mỗi dây. Trong thực tế, khoảng cáh tối thiểu
giữa hai dây cáp đặt gần nhau là 70cm.
Yêu cầu đối với việc lắp đặt ống nhựa:
- Bán kính cong của ống nhựa phải lớn ít nhất 20 lần đường kính ngoài của
ống.
- Các ống phải giống hệt nhau về kích thước và chất liệu
Một cỡ cáp hợp lý để chạy qua ống thì chiếm khoảng 80% đường kính trong
của ống nhựa
2.4.5 Các kỹ thuật đặt cáp trong hầm không khí
Phương pháp này được áp dụng khi có yêu cầu xây dựng và lắp đặt một vài
mạch đường dây cáp ngầm cao áp cùng chạy trên một đoạn đường..
Các ưu điểm:
- Có thể đặt một vài đường dây cáp trong một khoảng không gian giới hạn
mà không giảm khả năng truyền tải của mỗi đường dây do ảnh hưởng của
nhiệt độ qua lại của các đường dây cáp với điều kiện là hầm phải được
thông khí, hoặc là có hệ thống quạt thông gió
- Có thể lắp đặt nhiều đường dây cáp ở nhiều thời điểm khác nhau
Luận văn tốt nghiệp cao học

Vũ Xuân An - HTĐ 2005-2007