MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Cáp điện cao áp cách điện polymer là loại cáp đang được nghiên cứu phát triển ứng dụng trong quá trình truyền tải điện năng, tuy nhiên khả năng truyền tải điện năng của cáp giảm dần dưới các điều kiện làm việc khác nhau (điện áp và môi trường). Điện trường trong cách điện của cáp là một trong các yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu suất làm việc cũng như tuổi thọ của cáp. Nghiên cứu sự biến đổi của nhiệt độ, điện trường trong cách điện của cáp đã được thực hiện ở các nước từ nhiều thập kỷ.
Tới thời điểm hiện nay, nó vẫn là một vấn nóng đề được nhiều nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu để đưa ra các phương pháp, tiêu chí đánh giá quá trình già hóa của cáp điện. Hiện nay ở Việt Nam, với đặc thù là một nước có địa hình trải dài và nhiều biển đảo, đồng thời với sự phát triển nhanh chóng của phụ tải nên quá trình truyền tải điện năng hiệu quả là vô cùng quan trọng. Biến đổi của nhiệt độ trong cáp điện cao áp polymer đã được một số đơn vị nghiên cứu, tuy nhiên quá trình nghiên cứu tính toán và mô phỏng dự báo những đặc tính này trong cách điện dưới các điều kiện làm việc khác nhau về điện và môi trường còn nhiều hạn chế. Đề tài này tập trung nghiên cứu và mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến việc giảm hiệu suất làm việc của cáp.
Từ đó, ta có được một cái nhìn tổng quan hơn về nguyên nhân của quá trình già hóa của cáp điện trên các đường dây truyền tải. Mục đ ch nghiên cứu - Nghiên cứu mô phỏng điện trường trong cách điện của cáp điện một lõi polymer HVAC. - Trên cơ sở hiểu rõ được quá trình biến đổi nhiệt độ trong cáp ta có thể đưa ra các điều kiện làm việc thích hợp cho từng loại cáp. Từ đó giảm được chi phí xây dựng, bảo dưỡng và thay thế cáp điện trên đường dây tải điện 3.
Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu chung về cáp điện một lõi HVAC - Cấu tạo cơ bản, phân loại cáp điện một lõi HVAC 1 - Ứng dụng của cáp điện cách điện một lõi polymer HVAC trong hệ thống truyền tải - Nghiên cứu các phương pháp tính toán điện từ trường trong các loại cáp điện xoay chiều - Mô phỏng điện trường dưới các điều kiện làm việc khác nhau bằng ứng dụng Multiphysic Comsol - Phân tích kết quả mô phỏng 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Cáp điện cao áp một lõi cách điện polymer HVAC 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết - Sử dụng phần mềm để mô phỏng - Phân tích kết quả tính toán mô phỏng 6. Dự kiến đóng góp luận văn - Tổng hợp lý thuyết về cáp điện một lõi HVAC - Phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và từ trường đến cáp một lõi HVAC - Mô phỏng trên phân mềm Multiphysic Comsol - Là tài liệu học tập nghiên cứu cho học viên và các đơn vị trong ngành điện 2 CHUƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁP ĐIỆN HVAC 1.
Khái quát chung về quá trình phát triển cáp điện cao áp xoa chiều (HVAC) 1. Vài nét về lịch sử phát triển của truyền tải điện xoay chiều cao áp Trên thế giới, trong những ngày đầu của nền kinh tế, điện năng được truyền tải ở cùng một điện áp nên rất hạn chế về khả năng truyền tải điện từ máy phát điện đến người tiêu dùng. Năm 1882, dòng điện một chiều ra đời, rất khó để mang điện áp đi trên đường dây dài đến các hộ tiêu thụ do mỗi tải trọng sử dụng cấp điện áp và mạch điện khác nhau. Việc truyền tải dòng điện xoay chiều sử dụng để thay thế cho nhược điểm của đường dây tải điện một chiều.
Đó là khi Lucien Gaulard và John Dixon Gibbs xây dựng thành công máy phát điện thứ cấp đầu tiên, một biến áp có sử dụng mạch từ cảm ứng với tỉ số biến áp 1:1. Năm 1884 đường dây dài đầu tiên 34km sử dụng dòng điện xoay chiều được xây dựng cho triển lãm quốc tế Turin, Italy. Đường dây được trang bị điện áp 2kV, tần số 130 Hz, sử dụng một số máy phát điện thứ cấp với cuộn sơ cấp được kết nối trong mạng lưới, máy biến áp lúc này chỉ biến điện áp cao về điện áp thấp, tải là các đèn sợi đốt. Hệ thống đã chứng minh tính khả thi của truyền tải điện xoay chiều trên quãng đường dài.
Sau đó, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, truyền tải dòng điện xoay chiều có bước phát triển mạnh mẽ, cùng với việc sử dụng nhiều máy biến áp biến áp cao về áp thấp và ngược lại bằng việc sử dụng mạch từ khép kín. Năm 1888, Nikola Tesla đã phát minh ra sự kết hợp giữa động cơ cảm ứng và máy biến áp, mô tả các thiết bị cho phép tạo ra và sử dụng hiệu quả đa pha dòng điện xoay chiều. Đó là một phát minh hết sức quan trọng, cung cấp một hệ thống điện hoàn chỉnh đầu tiên dung để cung cấp ánh sáng và phát triển nền công nghiệp. Máy phát điện cung cấp điện năng, qua máy biến áp tăng áp để đến đường dây tải điện cao áp, sau đó qua máy biến áp hạ áp đến mạch điện phân phối.
Bằng cách sử dụng các nhà máy phát điện thông thường cho mọi loại tải trọng quan trọng, quy mô kinh tế đã đạt được, vốn đầu tư thấp hơn tổng thể đã được yêu cầu, hệ số tải trên mỗi máy được tăng lên cho phép cho hiệu quả cao hơn, chi phí thấp hơn cho người tiêu dùng và tăng cường phát huy điện năng. 3 Việc truyền tải đầu tiên của ba pha xoay chiều sử dụng điện áp cao đã diễn ra vào năm 1891. Điện áp sử dụng cho truyền tải điện tăng trong suốt thế kỷ 20, từ 70 kV lên 150 kV. Công nghiệp hóa nhanh chóng trong thế kỷ 20 cho đến ngày nay làm cho đường dây tải điện và lưới điện phát triển hết sức mạnh mẽ là một cơ sở hạ tầng hết sức quan trọng ở các nước phát triển.
Tại Việt Nam, lưới điện truyền tải Việt Nam bắt đầu được xây dựng từ những năm 1960. Sau nửa thế kỷ hình thành và phát triển, đến nay lưới điện truyền tải đã lớn mạnh với hàng vạn km đường dây và hàng trăm trạm biến áp. Năm 1994, lưới điện 500kV chính thức được đưa vào vận hành (ngày 27/05/1994) đồng thời Tổng công ty Điện lực Việt Nam được thành lập (theo Quyết định số 562/TTg ngày 10/10/1994 của Thủ tướng Chính phủ) là bước ngoặt quan trọng trong quá trình phát triển của lưới điện truyền tải. Các Công ty Truyền tải điện thực sự chuyển biến về trình độ kỹ thuật và quản lý vận hành nhờ việc tiếp cận với công nghệ truyền tải điện cao áp 500kV.
Năm 2006, Tập đoàn Điện lực Việt Nam được chuyển đổi từ Tổng công ty Điện lực Việt Nam (theo Quyết định số 148/2006/QĐ-TTg ngày 22/06/2006 của Thủ tướng Chính phủ). Lưới điện truyền tải với gần 9.000km đường dây và 21.000MVA dung lượng máy biến áp từ 220kV đến 500kV được quản lý vận hành bởi các Công ty Truyền tải điện 1, 2, 3, 4 trực thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam. Năm 2007, “Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2006 – 2015 có xét đến năm 2025” được phê duyệt (theo Quyết định số 110/2007/QĐ- TTg ngày 18/07/2007 của Thủ tướng Chính phủ). Lưới điện truyền tải được định hướng phát triển đồng bộ với nguồn điện nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội của đất nước với mức tăng GDP khoảng 8,5% - 9%/năm giai đoạn 2006 – 2010 và dự báo nhu cầu điện tăng ở mức 17% (phương án cơ sở) trong giai đoạn 2006 – 2015.
Dự kiến trong giai đoạn 2006 – 2015, khoảng 20.000MVA dung lượng máy biến áp 500kV, 50.000MVA dung lượng máy biến áp 220kV, 5.200km đường dây 500kV và 14.000km đường dây 220kV sẽ được xây dựng và đưa vào vận hành. 4 Năm 2008, Tổng Công ty Truyền tải Quốc Gia được thành lập (theo Quyết định số 223/QĐ-EVN ngày 11/04/2008 của Hội đồng quản trị Tập đoàn Điện lực Việt Nam) trên cơ sở tổ chức lại 04 Công ty Truyền tải điện 1, 2, 3, 4 và 03 Ban Quản lý dự án các Công trình điện miền Bắc, Trung, Nam theo lộ trình hình thành và phát triển thị trường điện tại Việt Nam mở ra một thời kỳ mới cho sự phát triển của lưới điện truyền tải Việt Nam. Tính đến 31/12/2012, lưới điện truyền tải bao gồm 15.600MVA dung lượng máy biến áp 500kV, 26.226MVA dung lượng máy biến áp 220kV, 3.246MVA dung lượng MBA 110KV, 4.848km đường dây 500kV và 11.313km đường dây 220kV. Công nghệ đường dây nhiều mạch, nhiều cấp điện áp, cáp ngầm cao áp 220kV, trạm GIS 220kV, thiết bị SVC 110kV, tụ bù dọc 500kV, hệ thống điều khiển tích hợp bằng máy tính và nhiều công nghệ truyền tải điện tiên tiến trên thế giới đã được áp dụng rộng rãi tại lưới điện truyền tải Việt Nam.
Quá trình phát triển cáp điện cao áp xoay chiều Song song với sự phát triển của hệ thống truyền tải thì các loại cáp điện cao áp xoay chiều (HVAC) cũng phải phát triển theo để đáp ứng sự phát triển của nó. Việc phát minh ra cáp để có thể đạt được như hiện nay là bắt đầu từ năm 1830, và 50 năm sau năm 1880 cáp ngầm được lắp đặt đầu tiên tại Berlin. Lý do sau 50 năm mới được lắp đặt là phải tìm một vật liệu điện môi có khả năng chịu nhiệt của dây dẫn và điện trường mạnh. Năm 1880 Ferranti đã phát minh ra loại cách điện giấy.
Sau đó năm 1917, Emanueli đã cải tiến bằng cách phát minh ra cách điện giấy tẩm dầu, làm tăng sự ổn định nhiệt của cáp và sử dụng cho điện áp cao hơn 100 kV. Các bước tiến lớn tiếp theo là sự phát triển về công nghệ cáp trong những năm 1960 với sự ra đời của polyethylene XPLE cho phép nhiệt độ chịu được cao hơn (khoảng 90 ºC). Một loai cáp khác là sử dụng áp lực khí như khí SF6. Loại cáp này có chiều dài tương đối ngắn (<3000 m) và không phổ biến như cáp XPLE.
Cấu tạo của loại cáp này là dùng các dây dẫn bao gồm một ống nhôm cứng bên trong một ống nhôm, khoảng trống giữa các dây dẫn và các đường ống được lấp đầy bằng khí SF6.