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

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
CÁP NGẦM 220KV VƯỢT KÊNH ĐÌNH VŨ

NGÀNH : HỆ THỐNG ĐIỆN
MÃ SỐ:23.04.3898

LA QUỐC VŨ

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

HÀ NỘI 2008


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU

1

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VỀ SỰ RA ĐỜI CỦA ĐỀ TÀI
VÀ KHÁI QUÁT CHUNG HỆ THỐNG CÁP NGẦM CAO

2

ÁP
1.1. Đặt vấn đề.


2.3. Lựa chọn chủng loại cáp, loại cách điện

14

2.4. Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm cao áp với cách điện XLPE

17

2.5. Kỹ thuật đặt cáp và chôn cáp, so sánh các phương án và

20

lựa chọn phương thức đặt cáp cho cáp ngầm 220kV vượt kênh
Đình Vũ.
2.6. Các kỹ thuật nối đât bảo vệ và lựa chọn phương thức nối

30


đất vỏ cáp cho cáp ngầm 220kV vượt kênh Đình Vũ.
2.7. Tính tốn chọn tiết diện cáp.

49

Chương 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN
TRƯỜNG, TỪ TRƯỜNG CAO ÁP TỚI CÁP NGẦM VÀ
ÁP DỤNG CỤ THỂ ĐỂ TÍNH TỐN CHỌN THƠNG SỐ

56

76

vượt kênh Đình Vũ.
Chương 4: TÍNH TỐN, KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU
NGẮN MẠCH CỦA CÁP, TÍNH TỐN Q ĐIỆN ÁP
VỎ TRONG HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VỎ, THIẾT KẾ LỰA

90

CHỌN THIẾT BỊ HẠN CHẾ ĐIỆN ÁP VỎ VÀ TỔNG
HỢP CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA CÁP
4.1. Tính tốn khả năng chịu ngắn mạch của cáp và của vỏ kim

90

loại.
4.2. Quá điện áp vỏ trong hệ thống nối đất vỏ.

94


4.3. Quá điện áp quá độ trong hệ thống cáp.

98

4.4. Q điện áp nội bộ trong hệ thống khơng có thiết bị hạn

99

chế điện áp vỏ cáp.


galvanometer:
5.4. Lựa chọn sơ đồ phương thức bảo vệ cáp ngầm.

142

Chương 6: CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG

147

6.1. Công tác chuẩn bị

147

6.2. Công việc thi công tuần tự theo các bước sau :

150

6.3. Thu dọn hiện trường, nghiệm thu, bàn giao

153

Chương 7: TỔNG KẾT VÀ KIẾN NGHỊ

156


1

LỜI NĨI ĐẦU

công nghiệp khác cũng đang trong giai đoạn quy hoạch, xây dựng như khu
công nghiệp Hạ Đoạn, Bến Rừng, thép Vạn Lợi, thép Việt Ý, Tràng Duệ… dự
án mở rộng cảng Hải Phịng, về giao thơng có các dự án mở rộng và nâng cấp
đường 5 mới, quốc lộ 10 nối Hải Phịng - Quảng Ninh - Thái Bình - Nam
Định - Ninh Bình … Đặc biệt là dự án khu kinh tế trên đảo Đình Vũ đang
khẩn trương hồn thiện.
Đảo Đình Vũ nằm ở phía Đơng Nam thành phố Hải Phịng có diện tích
gần 20km2, nằm kẹp giữa 2 cửa sông đổ ra biển là cửa Nam Triệu và Cửa
Cấm. Đảo Đình Vũ có mặt bằng và vị trí thuận lợi cho phát triển cầu cảng và
phát triển cơng nghiệp trên Đảo. Vì thế dự án khu kinh tế Đình Vũ được dự
kiến xây dựng và phát triển trong vòng 15 - 20 năm để trở thành một khu kinh
tế lớn với quy mô xây dựng rộng tới 1152 ha (vào năm 2020), với hàng chục
khu công nghiệp, thương mại, dịch vụ, du lịch, nhà ở và khách sạn, công viên
cây xanh, mạng lưới đường ô tô kết hợp hài hồ với hệ thống đường sắt, hệ
thống thơng tin viễn thơng, hệ thống cấp thốt nước, hệ thống điện lực và đặc
biệt là hệ thống cảng biển hiện đại được quy hoạch trên đảo. Với quy mô phát

La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học


3

triển trên, theo dự báo nhu cầu điện của đảo Đình Vũ trong giai đoạn I (20002004) tương ứng với diện tích sử dụng 164ha là 32MW. Dự kiến các giai
đoạn tiếp theo đến 2020 tương ứng với diện tích sử dụng 1152 ha là 425MW.
Để đáp ứng nhu cầu điện của Thành phố Hải Phòng , các nhà máy nhiệt
điện Hải Phòng I và nhà máy nhiệt điện Hải Phịng II với quy mơ cơng suất
mỗi nhà máy là 600MVA ra đời là sự tất yếu của nguyên tắc “Điện đi trước
một bước”. Để đấu nối các nhà máy điện vào Hệ thống Điện Quốc gia, theo

Phịng.
Trong q trình làm việc với Thành phố Hải Phịng, để phù hợp với
quy hoạch chung tổng thể của thành phố, UBND thành phố Hải Phòng đã
thống nhất khoảng vượt của đường dây 220kV NMNĐ Hải Phịng - Đình Vũ
qua kênh Đình Vũ gần với ngã ba sơng Cấm đổ ra sông Bạch Đằng. Theo yêu
cầu của Cục hàng hải Việt Nam (tại văn bản số 1226/CHHVN-BCB ngày
04/09/2002), chiều cao tĩnh không tàu thuyền tối đa trên đoạn từ cửa Nam
Triệu qua kênh Đình Vũ đến cảng Hải Phịng là 55m. Do đó chiều cao dây
dẫn thấp nhất (có kể đến 3 mét an toàn điện) cho đoạn ĐDK đi qua đoạn sơng
này là 58m. Theo tính tốn cột vượt sơng tối thiểu phải có độ cao trên 60m.
Mặt khác theo u cầu của Qn chủng Phịng khơng - Khơng quân (văn bản
số 414/CV-BTM ngày 20/9/1999), chiều cao cột vượt kênh Đình Vũ nằm
trong phạm vi tĩnh khơng sườn sân bay Cát Bi (5000m) không được phép cao
quá 50m.
Với hai số liệu khống chế trên, việc sử dụng đường dây nổi để vượt qua
kênh Đình Vũ là hồn tồn khơng khả thi. Do đó giải pháp duy nhất là sử
dụng cáp ngầm 220kV. Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, nhiệm vụ luận văn tốt
nghiệp này đi sâu nghiên cứu các vấn đề cụ thể như sau:
• Tính tốn trào lưu công suất trong hệ thống, lựa chọn cấp điện áp truyền
tải, tính tốn dịng tải và thiết kế lựa chọn chủng loại cáp.
• Tính tốn ảnh hưởng của điện trường, từ trường cao áp của cáp ngầm và
áp dụng cho việc tính chọn các thơng số cho cáp ngầm cao áp vượt kênh
Đình Vũ. Các yêu cầu kỹ thuật chi tiết cho hệ thống cáp ngầm.
• Các giải pháp bảo vệ cáp ngầm.
• Biện pháp thi cơng thi công hệ thống cáp ngầm.

La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học


La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học


6

gần nhà Quốc hội, gần Lăng Chủ tịch, gần các cơng trình quan trọng khác…)
đặc biệt gần đây để đáp ứng nhu cầu về sự gia tăng phụ tải, một số trạm biến
áp trung gian cùng với đường cáp ngầm truyền dẫn công suất với cấp điện áp
cao từ 110kV, 220kV đang được khẩn trương xây dựng trong lòng các thành
phố (tại Hà Nội có các trạm GIS 110kV Mỹ Đình, cáp ngầm 110kV Thành
Cơng - Phương Liệt, cáp ngầm 110kV Nam Chương Dương từ Cột 84 đến cột
85 lộ 175,176 E1.6 Chèm đi 172,171 E1.3 Mai Động, cáp ngầm 220kV Hà
Đông - Thành Công, trạm GIS 220kV Thành Công,... tại Thành phố Hồ Chí
Minh có đường cáp ngầm 220 kV Nhà Bè - Tao Đàn, trạm GIS 220kV Tao
Đàn…) Công ty Điện lực 2 (PC2) cũng đang chuẩn bị đầu tư một đường cáp
ngầm cao áp vượt biển từ Rạch Giá ra đảo Phú Quốc với chiều dài khoảng
trên năm mươi cây số để cấp cho các phụ tải ngày càng gia tăng tại hịn đảo
có nhiều tiềm năng này (hiện tại PC2 hàng năm phải bù lỗ cho các máy phát
diesel chạy dầu DO và HFO đã vượt quá gần 50 tỉ/năm và mỗi năm con số
này lại gia tăng thêm đáng kể).
Lâu nay đối với ngành Điện Việt Nam các dự án cáp ngầm từ 110kV
trở lên hầu hết đều do các nhà thầu nước ngoài thực hiện từ khâu thiết kế kỹ
thuật, thiết kế chi tiết, lập hồ sơ thầu đến giám sát, thi cơng, ví dụ đường cáp
lực cao áp khoảng 500m cáp 220 kV cách điện bằng dầu áp lực từ đầu cực các
máy phát của NMTĐ Hịa Bình lên sân phân phối 220 kV đã đưa vào vận
hành từ năm 1990 do Liên Xô cũ sản xuất, thiết kế và giám sát, chỉ đạo thi
công, dự án đường cáp ngầm 220 kV Nhà Bè - Tao Đàn, trạm GIS 220kV Tao
Đàn do nhà thầu ABB-Thụy Điển thực hiện theo hình thức hợp đồng chìa

thống cáp ngầm 220kV vượt kênh Đình Vũ, dự án này hiện nay đang trong
giai đoạn mời thầu trọn gói (cung cấp và lắp đặt).
1.4. Nguyên tắc chung của cơng tác tính tốn, thiết kế hệ thống cáp
Đối với một hệ thống cáp ngầm cao áp nói chung, để có cơ sở tinh tốn,
thiết kế, lựa chọn cáp hợp lý cần tuân theo các bước sau đây:
1.4.1. Cấu trúc cáp:
+ Vật liệu cho cách điện của cáp (PVC, giấy tẩm dầu, dầu cách điện,
ERP, XLPE...)

La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học


8

+ Số lượng lõi (đơn pha hay nhiều pha)
+ Tiết diện của dây dẫn q n
+ Vật liệu dây dẫn (đồng, nhôm, ...)
1.4.2. Điện áp:
+ Điện áp danh định của lưới U đm
+ Điện áp làm việc lớn nhất
+ Tần số của hệ thống
+ Loại dòng điện (3 pha, 1 pha, hay một chiều)
+ Điện áp chịu đựng xung sét định mức U BIL
1.4.3. Điều kiện nối đất, xử lý của điểm đấu hình sao
+ Điểm đấu sao cách điện hoặc đấu đất qua cuộn dập hồ quang
+ Nối đất qua trở kháng
+ Nối đất trực tiếp
1.4.4. Các điều kiện làm việc

+ Lắp đặt cáp trong các mương cáp, đường ống tunnel: Nhiệt độ của
khơng khí trong mương cáp sẽ tăng do phát nhiệt của cáp.
+ Các số liệu của mương cáp: chiều rộng bên trong, chiều cao bên
trong, nắp đậy, các bản vẽ kích thước
+ Nếu sử dụng thơng gió cưỡng bức thì cần các thơng số: nhiệt độ
khơng khí bên ngồi để tính tốn lượng khí cần làm mát, nhiệt độ
của khơng khí đi vào ống.
1.4.7. Điều kiện môi trường
+ Chôn cáp dưới đất: nhiệt độ của đất, điện trở suất của đất cho vùng
ẩm và vùng khơ
+ Đặt cáp trong khơng khí: nhiệt độ của khơng khí
1.4.8. Ảnh hưởng của các nguồn nhiệt bên ngồi
+ Nhiệt do mặt trời chiếu trực tiếp cần phải xem xét (nếu khơng có các
biện pháp bảo vệ khỏi ảnh hưởng của mặt trời).
+ Nhiệt do các vùng nhiệt trong ống khi chôn cáp dưới đất

La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học


10

+ Nhiệt do các mạch cáp khác đặt song song hoặc giao chéo: cần có số
liệu về tiết diện và dòng điện tải ở điện áp định mức; khoảng cách
và chiều sâu lắp đặt với bản vẽ kích thước
1.4.9. Khả năng tải trong trường hợp ngắn mạch (sự đột biến về nhiệt và
cơ)
+ Tính tốn sử dụng các thơng số từ việc tính tốn lưới
- Sử lý điểm đấu sao đưa ra các giá trị dòng ngắn mạch (1, 2 , 3 pha)

CAO ÁP VƯỢT KÊNH ĐÌNH VŨ
2.1. Lựa chọn cấp điện áp, tính tốn dịng điện tải cho cáp ngầm vượt
kênh Đình Vũ.
2.1.1. Tính tốn hệ thống, lựa chọn cấp điện áp truyền tải.
Với nhiệm vụ cung cấp điện cho trạm biến áp 220kV Đình Vũ, truyền tải
điện năng của các nhà máy nhiệt điện Hải Phòng I, II vào Hệ thống Điện.
Theo Tổng sơ đồ Điện các giai đoạn V, VI (Quy hoạch phát triển điện lực
Việt Nam giai đoạn 2001 - 2010 có xét triển vọng đến năm 2020 và Quy
hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2006 - 2015 có xét đến năm
2025) và để đảm bảo độ tin cậy, an toàn trong cung cấp điện cũng như an tồn
trong cơng tác vận hành sau này, đường dây sẽ có quy mơ hai mạch. Theo
tính tốn phân bố cơng suất trong hệ thống điện khu vực Đơng Bắc, khu vực
Hải Phịng bằng chương trình mơ phỏng Hệ thống Điện PSS/E như bảng số
liệu tại phụ lục I kèm theo. Công suất truyền tải cực đại của đường dây này có
thể lên tới 700MVA vào năm 2015 - 2020. Trong chế độ bình thường cơng
suất chạy trên một mạch của đường dây khoảng 300MW. Để lựa chọn cấp
điện áp tải tối ưu cho đường dây ta áp dụng công thức kinh nghiệm của Mỹ
(công thức Still) [1] để tính tốn U op như sau :
U op = 4,34 L + 16 P
Trong đó:
L là chiều dài đường dây (km).
P là công suất tải (MW).
Đường dây 220kV NMNĐ Hải Phịng - Đình Vũ có chiều dài khoảng
15km, và cơng suất tải mỗi mạch trong chế độ bình thường khoảng 300MW.

La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học



- Số mạch: 2 mạch.
- Vị trí tuyến cáp: Tuyến cáp ngầm 220kV nằm ở gần cửa kênh Đình
Vũ (Sơng Cấm) tại khu cơng nghiệp Đình Vũ - Thành phố Hải Phịng. Phần
địa hình dưới nước tiếp giáp với khu nước phía thượng lưu của Công ty 189 -

La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học


13

Bộ quốc phịng. Phần địa hình trên cạn gồm phía phải và phía trái của kênh
Đình Vũ, tại bờ phải kênh Đình Vũ phía thượng lưu giáp với khu đất của Bộ
đội Biên phịng, phía hạ lưu giáp với khu đất của Cơng ty 189 - Bộ Quốc
phịng, bờ phía trái kênh Đình Vũ là các đầm ni thuỷ hải sản. Nhìn chung
địa hình trên bờ chủ yếu là các đầm nuôi thuỷ hải sản, phần mép nước là các
cây sú vẹt…
Theo số liệu khảo sát khu vực tuyến cáp ngầm 220KV bao gồm 2 phần:
+ Phần dưới nước: Chiều rộng lòng kênh tại đoạn khảo sát là 330m
theo hướng tuyến cáp.
+ Phần trên cạn: bao gồm hai phần
Phần từ bờ sơng phía bên phải kênh Đình Vũ đến giáp khu đất của
Cơng ty 189 - Bộ Quốc Phịng. Khoảng cách từ bờ kênh đến điểm đặt cột đấu
cáp (đặt cạnh khu đất) là 150m .
Phần phía bờ sơng bên trái kênh Đình Vũ : khoảng cách từ bờ kênh đến
điểm đặt cột đấu cáp là 30m.
- Yêu cầu về cao độ đặt cáp, bao gồm các yếu tố sau :
Theo các số liệu của Cục Hàng hải Việt Nam, đoạn kênh Đình Vũ nơi
có tuyến cáp 220kV đi qua có cao độ đáy luồng: đến giai đoạn nạo vét hoàn

Lớp đất 1, 2, 4, 5 là các lớp đất yếu khả năng chịu tải thấp. Lớp 3 là lớp
đất tương đối tốt nhưng chiều dày không lớn.
Nhiệt độ, độ nhiễm bẩn và các điều kiện khác:
Cơng trình nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ven biển Bắc Bộ. Nhiệt độ
trung bình 230C-23.60C. Nhiệt độ lớn nhất : 41.50C, nhiệt độ thấp nhất: 4.50C.
Cơng trình nằm tại cửa sơng Cấm vào cảng Hải Phịng khá gần biển, có độ
nhiễm mặn cao.
2.3. Lựa chọn chủng loại cáp, loại cách điện
Từ khi bắt đầu xuất hiện cáp ngầm điện lực do Borel phát minh ra vào
năm 1879 là cáp có cách điện bằng sợi đay tẩm Parafin, đến nay đã có rất
nhiều loại cách điện được đưa vào sử dụng như giấy tẩm dầu, dầu cách điện,
ERP, XLPE (Crosslinked Polyethylene)…

La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học


15

Tuy nhiện hiện nay trên thế giới đang sử dụng phổ biến hai loại cáp
thông dụng cho các đường tải điện cao áp là cáp dầu và cáp khô dùng cách
điện Polyethylene lưu hóa khơ có các mối liên kết phân tử theo chiều ngang
(XLPE). Đối với cấp điện áp 110, 220 kV đa số sử dụng cáp XLPE vì những
lý do sau đây :
Chi phí đầu tư của 2 loại cáp bao gồm đầu tư ban đầu, chi phí vận hành
và bảo trì. Chi phí đầu tư cho các thiết bị thứ cấp của cáp dầu đắt tiền hơn so
với cáp XLPE.
Cáp dầu đòi hỏi một số điều kiện phức tạp hơn so với cáp XLPE, như:
• Việc giám sát và chuyển tín hiệu phức tạp.


Nhiệt độ vận hành liên tục lớn
nhất

2

Nhiệt độ cáp cho phép khi có
ngắn mạch

Cáp dầu

Cáp XLPE
900C (+50C/-00C)

850C(+00C)

2500C

1800C

3

Góc tổn thất

1*10-3

2-3*10-3

4



sát tín hiệu dầu...
7

Bù điện dung

8

Ảnh hưởng đến môi trường

9

Độ dài lớn nhất của cuộn cáp
(tuỳ theo tiết diện)

160% => phí đầu

100%

tư cao hơn.

khơng ơ nhiễm

ơ nhiểm do dầu

500-800m

250-350m

10


14

Chi phí vận hành (kể cả bảo

Chấp nhận được

Cao hơn

dưỡng và tổn thất)

Kết luận: Chọn cáp cách điện bằng XLPE cho dự án cáp ngầm 220kV
vượt kênh Đình Vũ.

La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học


17

2.4. Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm cao áp với cách điện XLPE
2.4.1. Cấu trúc cơ bản của cáp

Cấu trúc điển hình của cáp XLPE bao gồm những lớp được mơ tả theo
thứ tự từ trong ra ngồi như sau:

La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học

phóng điện dẫn, có tác dụng làm giảm khả năng gây
cục bộ

phóng điện cục bộ do bề mặt lồi lóm của cáp
(tạo thành bới các sợi đồng nhỏ).
- Được ép đùn cùng lúc với lớp cách điện (3)
và lớp bán dẫn (4).

3

Lớp

Cách

cách

cho cáp

điện - Croos-linked Polyethylene (XLPE) là loại

điện

vật liệu cách điện có nhiều ưu điểm nổi bật.
- Chế tạo bằng công nghệ ép đùn.

XLPE
4

Lớp bán Chống I-on - Vật liệu của lớp này là compound bán dẫn,
dẫn


dọc

dọc

khe hở giữa

theo thấm dọc theo cáp.

lớp (4) và
lớp (6)
6

dòng Thường được sản xuất bằng dây đồng tôi

Lớp

Tản

màn

ngắn mạch luyện.

chắn

khi có sự

kim loại cố
mạch


Vỏ

Bảo

ngồi

chung

vệ - Làm bằng PVC hoặc PE.
- Có tác dụng bảo vệ lớp vỏ kim loại khỏi bị
tác động ăn mịn điện hố của mơi trường.
- Có thể phủ thêm 1 lớp chất bền nhiệt để
chống cháy vỏ cáp khi có hoả hoạn xảy ra
(thường áp dụng cho các đoạn cáp tiếp xúc
với khơng khí).

La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học


20

2.4.2. Phụ kiện cáp
2.4.2.1. 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)

điện phân, bờ biển hay những vùng có nguồn ăn mịn cao.
Ảnh hưởng của mơi trường. Một số cách đặt cáp như là đặt cáp trong
đường ống thường có những trở ngại đặc biệt là khi lắp đặt ở vùng cạnh
đường dây cao áp, bờ biền, hầm mỏ, địa hình tự nhiên phức tạp.
Đối với mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất
định. Do vậy tùy theo điều kiện và yêu cầu cụ thể mà nhà đầu tư sẽ quyết định
chọn hình thức lắp đặt nào.
2.5.2. Các kỹ thuật đặt cáp và chôn cáp chủ yếu.
2.5.2.1 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 thơng thường để
chơn lấp , dễ thi cơng
Hình vẽ sau mô tả chi tiết mặt cắt ngang của kỹ thuật chơn cáp điển
hình

La Quốc Vũ - Cao học KTĐ 2005 - 2007

Luận văn tốt nghiệp cao học