Nghiên Cứu Điện Áp Cảm Ứng Trong Lớp Vỏ Kim Loại Tuyến Cáp Ngầm 220 kV Long Biên - Mai Động

Nghiên cứu điện áp cảm ứng trong lớp vỏ kim loại tuyến cáp ngầm 220kV Long Biên Mai Động, phân tích ảnh hưởng và giải pháp kỹ thuật.

• Tác giả: Trương Hoàng Nam
• Người hướng dẫn: PGS. TS Trần Văn Tớp
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Điện Áp Cảm Ứng Trong Cáp Ngầm 220 kV Long Biên - Mai Động
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu của luận văn
• 1.4. Ý nghĩa thực tiễn của luận văn
• 1.5. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng EMTP-RV
• 1.6. Nội dung cơ bản của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁP NGẦM
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm cao áp cách điện XLPE
• 2.3. Khả năng mang tải của cáp ngầm
• 2.4. Giải pháp chống thấm cho cáp
• 2.5. Phương thức lắp đặt cáp
• 2.6. Đảo pha vỏ cáp
• 2.7. Các biện pháp bảo vệ
• 3. CHƯƠNG 3: NỐI ĐẤT VỎ KIM LOẠI HỆ THỐNG CÁP NGẦM CAO ÁP
• 3.1. Phương pháp luận
• 3.2. Điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại mạch đơn
• 3.3. Điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại mạch kép
• 3.4. Các phương pháp nối đất vỏ kim loại cáp ngầm
• 3.4.1. Nối đất vỏ cáp tại một điểm
• 3.4.2. Nối đất vỏ cáp tại hai điểm
• 3.4.3. Nối đất đảo vỏ (Cross bonding)
• 3.5. Tổn thất trên lớp vỏ kim loại bảo vệ cáp ngầm
• 3.5.1. Tổn thất do dòng điện xoáy
• 3.5.2. Tổn thất do dòng điện tuần hoàn
• 3.6. Điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại trong điều kiện sự cố
• 3.6.1. Nối đất trung tính
• 3.6.2. Nối đất tại một điểm
• 3.6.3. Nối đất đảo vỏ
• 4. CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP NỐI ĐẤT VỎ KIM LOẠI CÁP NGẦM TUYẾN 220KV LONG BIÊN – MAI ĐỘNG
• 4.1. Tổng quan về tuyến 220 kV Long Biên – Mai Động
• 4.2. Mô hình đường dây 220 kV Long Biên – Mai Động
• 4.2.1. Mô hình nguồn điện và hệ thống
• 4.2.2. Mô hình đường dây trên không và cáp ngầm
• 4.2.3. Mô hình cột đường dây trên không
• 4.2.4. Mô hình hệ thống tiếp địa
• 4.2.5. Mô hình chống sét van
• 4.3. Tính toán, mô phỏng lựa chọn phương án nối đất vỏ kim loại cáp ngầm cao áp
• 4.3.1. Phương án nối đất vỏ kim loại tại một điểm cung đoạn từ TBA 220 kV Long Biên đến VT 01
• 4.3.2. Phương án liên kết đảo vỏ và nối đất tại hai đầu cung đoạn từ TBA 220 kV Long Biên đến VT 01 (Cross bonding)
• 4.3.3. Phương án liên kết đảo vỏ và nối đất tại hai đầu cung đoạn từ TBA 220 kV Mai Động – VT4
• 5. CHƯƠNG 5: LỰA CHỌN THÔNG SỐ BỘ GIỚI HẠN ĐIỆN ÁP VỎ KIM LOẠI CÁP NGẦM (SHEATH VOLTAGE LIMITER)
• 5.1. Tổng quan bộ giới hạn điện áp (SVL)
• 5.2. Tính toán lựa chọn thông số SVL
• 5.2.1. Lựa chọn điện áp định mức của SVL
• 5.2.2. Tính toán năng lượng hấp thụ của SVL trong trường hợp quá điện áp khí quyển
• 5.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Điện Áp Cảm Ứng Cáp Ngầm 220kV

Điện năng đóng vai trò then chốt trong phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt ở các nước đang phát triển như Việt Nam. Trong hệ thống điện, đường dây truyền tải cao áp rất quan trọng. Hiện nay, chủ yếu là đường dây trên không, chiếm nhiều diện tích đất và hành lang an toàn. Đô thị hóa nhanh, dân cư đông đúc, nhiều tòa nhà cao tầng và yêu cầu thẩm mỹ, an toàn cao khiến việc xây dựng đường dây trên không gặp khó khăn. Do đó, cáp ngầm trở thành một phần tất yếu. Xu hướng sử dụng cáp ngầm cao áp tăng mạnh trên thế giới vì lợi ích lâu dài. Trong thực tế, hệ thống cáp ngầm trung áp (< 35 kV) đã được lắp đặt và vận hành thành công ở nhiều thành phố lớn. Tuy nhiên, ứng dụng cáp ngầm cho hệ thống truyền tải điện cao áp vẫn còn mới và chưa được nghiên cứu một cách có hệ thống. Cùng với sự phát triển của công nghệ lắp đặt cáp ngầm và yêu cầu kỹ thuật với cấp điện áp 220 kV đang được xây dựng trong khu vực trung tâm các thành phố lớn nhằm mục tiêu cấp điện áp cao và sâu vào trung tâm phụ tải, nâng cao độ tin cậy đối với các phụ tải quan trọng. Vì vậy, việc nghiên cứu về ảnh hưởng của tuyến đường dây cáp ngầm có chiều dài lớn đối với việc lựa chọn phương án nối đất vỏ kim loại và thông số bộ giới hạn điện áp đã trở nên cần thiết và cấp bách. Xuất phát từ thực tế đó, trong Luận văn thạc sĩ này sẽ đi sâu vào việc “Nghiên cứu điện áp cảm ứng trong vỏ kim loại tuyến cáp ngầm 220kV Long Biên - Mai Động”.

1.1. Mục Tiêu Nghiên Cứu Điện Áp Cảm Ứng Cáp Ngầm 220kV

Luận văn sử dụng phần mềm EMTPWork để mô phỏng và nghiên cứu ảnh hưởng của các phương án nối đất vỏ kim loại đến điện áp cảm ứng và dòng điện trên lớp vỏ bảo vệ kim loại cáp ngầm. Cần thực hiện mô hình hóa hệ thống điện bằng phần mềm EMTP, tính toán lựa chọn phương án nối đất vỏ kim loại của cáp ngầm và tính toán thông số bộ giới hạn điện áp của tuyến đường dây 220kV Long Biên – Mai Động.

1.2. Đối Tượng Nghiên Cứu Cáp Ngầm 220kV Long Biên Mai Động

Luận án tập trung vào nghiên cứu tính toán giá trị lựa chọn sơ đồ nối đất lớp vỏ kim loại cáp ngầm của dự án đường dây cáp ngầm 220kV Long Biên – Mai Động. Sau khi lựa chọn được sơ đồ nối đất lớp vỏ kim loại cáp ngầm, tính toán ảnh hưởng của hệ thống nối đất vỏ kim loại đối với giá trị điện áp cảm ứng và dòng điện trên lớp vỏ kim loại, từ đó lựa chọn chính xác thông số bộ giới hạn điện áp.

1.3. Ý Nghĩa Thực Tiễn Giải Pháp Đấu Nối Cáp Ngầm 220kV

Luận văn sẽ giúp làm rõ hơn các vấn đề liên quan đến việc lựa chọn giải pháp đấu nối lớp vỏ kim loại cáp ngầm đối với các đường dây có chiều dài cáp ngầm lớn. Đồng thời, Luận văn giúp làm rõ ảnh hưởng của bộ giới hạn điện áp đến điện áp cảm ứng trên lớp vỏ kim loại cáp ngầm.

II. Tổng Quan Công Nghệ Cáp Ngầm 220kV Hiện Đại Nhất

Cáp ngầm được sử dụng để truyền tải và phân phối điện năng ở những nơi không thể lắp đặt đường dây điện trên cao. Những vị trí như vậy có thể là những khu vực đông dân cư, xung quanh nhà máy và trạm biến áp hoặc khu giao cắt của các vùng nước rộng và nhiều lý do khác. Loại cáp được sử dụng sẽ phụ thuộc vào điện áp và mục đích sử dụng. Những cải tiến gần đây trong thiết kế và sản xuất đã mang đến sự phát triển của các loại cáp ngầm phù hợp để sử dụng ở điện áp cao. Việc thiết kế cáp sẽ do nhà chế tạo thực hiện theo đặc điểm của công trình. Tuy nhiên, cáp sử dụng cho công trình phải được thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 62067. Hiện nay trên thế giới đang sử dụng 2 loại cáp ngầm phổ biến cho lưới truyền tải điện là: Cáp dầu (oil filled cable) và cáp khô cách điện bằng polyethylene lưu hóa khô có các mối liên kết phân tử theo chiều ngang (XLPE).

2.1. So Sánh Cáp Dầu và Cáp XLPE cho Cáp Ngầm 220kV

Cáp dầu có ưu điểm là dầu lưu thông bên trong cáp và được giữ ở áp suất cao hơn áp suất không khí để ngăn chặn các rạn nứt phát sinh trong lớp cách điện, nên ngăn chặn kịp thời sự hư hỏng do cách điện, dẫn tới đảm bảo độ tin cậy của cách điện, tăng giới hạn nhiệt độ của lõi dẫn, tăng khả năng tải và giảm độ dày cách điện. Tuy nhiên khuyết điểm là đòi hỏi phải có các thiết bị ngoại vi như: thiết bị cấp dầu, các thiết bị kiểm soát, mặt bằng để lắp đặt các thiết bị này, tổn hao điện môi cao. Cáp XLPE có ưu điểm cách điện tốt, tổn hao điện môi thấp, tính mềm dẻo về cơ học và trọng lượng nhẹ. Do loại cáp này không chứa dầu nên có thể sử dụng ở mọi dạng địa hình. Với các ưu điểm ở trên và chi phí đầu tư thấp hơn, cáp ngầm cao áp với cách điện XLPE được sử dụng phổ biến hơn tại Việt Nam. Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu về cáp ngầm cao áp với cách điện XLPE.

2.2. Cấu Tạo Cơ Bản Của Cáp Ngầm Cao Áp Cách Điện XLPE

Cáp là dây dẫn điện mềm được bọc cách điện và bọc vỏ kim loại hoặc vật liệu polymer để ngăn chặn các tác động bên ngoài đối với cách điện n...

III. Phương Pháp Nối Đất Vỏ Kim Loại Cáp Ngầm 220kV

Chương này trình bày các phương pháp nối đất lớp vỏ kim loại cáp ngầm cao áp. Việc lựa chọn phương pháp nối đất ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại và dòng điện chạy trong vỏ. Các phương pháp nối đất phổ biến bao gồm nối đất một điểm, nối đất hai điểm và nối đất đảo vỏ (cross bonding). Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các điều kiện vận hành và yêu cầu kỹ thuật khác nhau.

3.1. Ưu Nhược Điểm Nối Đất Một Điểm Cáp Ngầm 220kV

Nối đất một điểm là phương pháp đơn giản, chi phí thấp, giúp loại bỏ dòng điện tuần hoàn trong vỏ kim loại, giảm tổn thất điện năng. Tuy nhiên, điện áp cảm ứng trên vỏ có thể tăng cao, đặc biệt với cáp ngầm dài, gây nguy cơ phóng điện và ảnh hưởng đến an toàn. Cần tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo điện áp cảm ứng không vượt quá giới hạn cho phép.

3.2. Ưu Nhược Điểm Nối Đất Hai Điểm Cáp Ngầm 220kV

Nối đất hai điểm giúp giảm điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại so với nối đất một điểm. Tuy nhiên, phương pháp này tạo ra dòng điện tuần hoàn trong vỏ, gây tổn thất điện năng và tăng nhiệt độ cáp ngầm. Cần cân nhắc giữa việc giảm điện áp cảm ứng và tăng tổn thất để lựa chọn phương án phù hợp.

3.3. Giải Pháp Nối Đất Đảo Vỏ Cross Bonding Cáp Ngầm

Nối đất đảo vỏ (cross bonding) là phương pháp phức tạp hơn, nhưng giúp giảm đáng kể cả điện áp cảm ứng và dòng điện tuần hoàn trong vỏ kim loại. Phương pháp này đòi hỏi chi phí đầu tư cao hơn do cần các hộp nối đặc biệt để đảo vỏ. Tuy nhiên, với cáp ngầm dài, nối đất đảo vỏ có thể là giải pháp tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế.

IV. Lựa Chọn Giải Pháp Nối Đất Cáp Ngầm 220kV Long Biên Mai Động

Chương này tập trung phân tích và lựa chọn sơ đồ nối đất lớp vỏ kim loại cáp ngầm của tuyến đường dây 220kV Long Biên – Mai Động. Dựa trên các đặc tính kỹ thuật của tuyến đường dây, kết quả mô phỏng và tính toán, sẽ lựa chọn phương án nối đất phù hợp, đảm bảo an toàn, tin cậy và hiệu quả kinh tế.

4.1. Tổng Quan Tuyến Cáp Ngầm 220kV Long Biên Mai Động

Mô tả chi tiết về tuyến đường dây 220kV Long Biên – Mai Động, bao gồm chiều dài, cấu trúc, điều kiện địa hình, địa chất, và các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương án nối đất.

4.2. Mô Hình Hóa Tuyến Cáp Ngầm 220kV Bằng EMTP

Trình bày phương pháp mô hình hóa tuyến đường dây 220kV Long Biên – Mai Động bằng phần mềm EMTP, bao gồm mô hình nguồn điện, đường dây trên không, cáp ngầm, cột điện, hệ thống tiếp địa và chống sét van.

4.3. So Sánh Các Phương Án Nối Đất Vỏ Kim Loại Cáp Ngầm

So sánh các phương án nối đất vỏ kim loại (nối đất một điểm, nối đất hai điểm, nối đất đảo vỏ) dựa trên kết quả mô phỏng và tính toán điện áp cảm ứng, dòng điện trong vỏ, tổn thất điện năng và chi phí đầu tư. Lựa chọn phương án tối ưu cho tuyến đường dây 220kV Long Biên – Mai Động.

V. Lựa Chọn Thông Số Bộ Giới Hạn Điện Áp Cáp Ngầm 220kV

Chương này tập trung tìm hiểu lý thuyết liên quan đến bộ giới hạn điện áp (SVL - Sheath Voltage Limiter) và lựa chọn thông số của bộ giới hạn điện áp cho tuyến cáp ngầm 220kV Long Biên - Mai Động. SVL được sử dụng để bảo vệ lớp vỏ kim loại cáp ngầm khỏi quá điện áp cảm ứng, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị.

5.1. Tổng Quan Về Bộ Giới Hạn Điện Áp SVL Cáp Ngầm

Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chức năng của bộ giới hạn điện áp (SVL) trong hệ thống cáp ngầm. SVL giúp giới hạn điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại, ngăn ngừa phóng điện và bảo vệ cách điện.

5.2. Tính Toán Lựa Chọn Thông Số SVL Cho Cáp Ngầm 220kV

Hướng dẫn tính toán và lựa chọn các thông số kỹ thuật của SVL, bao gồm điện áp định mức, dòng điện định mức, khả năng chịu quá tải và năng lượng hấp thụ. Đảm bảo SVL hoạt động hiệu quả trong các điều kiện vận hành bình thường và sự cố.

5.3. Mô Phỏng SVL Trong EMTP Để Đánh Giá Hiệu Quả

Sử dụng phần mềm EMTP để mô phỏng hoạt động của SVL trong hệ thống cáp ngầm, đánh giá hiệu quả bảo vệ và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của đô thị hóa và nhu cầu cấp điện ngày càng cao tại các thành phố lớn như Hà Nội, việc sử dụng cáp ngầm cao áp trở thành xu hướng tất yếu nhằm đảm bảo an toàn, thẩm mỹ và hiệu quả truyền tải điện. Theo báo cáo của ngành, tuyến cáp ngầm 220 kV Long Biên – Mai Động có chiều dài 15,3 km, trong đó phần lớn đi ngầm dưới lòng đường, đóng vai trò quan trọng trong việc cấp điện cho khu vực trung tâm thành phố. Tuy nhiên, việc tính toán và kiểm soát điện áp cảm ứng trên lớp vỏ kim loại của cáp ngầm là một thách thức kỹ thuật lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến lựa chọn phương án nối đất và thông số bộ giới hạn điện áp (Sheath Voltage Limiter - SVL).

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, mô phỏng và lựa chọn phương án nối đất vỏ kim loại tối ưu cho tuyến cáp ngầm 220 kV Long Biên – Mai Động, đồng thời xác định thông số kỹ thuật phù hợp cho bộ giới hạn điện áp nhằm đảm bảo an toàn vận hành và tính kinh tế kỹ thuật của dự án. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn vận hành hiện tại và tương lai gần, với phạm vi khảo sát toàn tuyến cáp ngầm và các điểm nối đất tại trạm biến áp Long Biên và Mai Động. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy hệ thống điện, giảm tổn thất điện năng và đảm bảo an toàn cho nhân viên vận hành cũng như thiết bị điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại cáp ngầm: Điện áp cảm ứng xuất hiện trên lớp vỏ kim loại do dòng điện xoay chiều trong lõi cáp tạo ra từ trường biến thiên, theo định luật Faraday. Điện áp này phụ thuộc vào tần số, cấu hình bố trí cáp (tam giác, thẳng hàng), và phương pháp nối đất vỏ kim loại.

• Mô hình nối đất vỏ kim loại: Bao gồm các phương pháp nối đất tại một điểm, hai điểm và nối đất đảo vỏ (cross bonding). Mỗi phương pháp có ảnh hưởng khác nhau đến điện áp cảm ứng và dòng điện tuần hoàn trên vỏ cáp, từ đó ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng tải của cáp.

• Mô hình tổn thất trên vỏ kim loại: Phân tích tổn thất do dòng điện xoáy và dòng điện tuần hoàn, ảnh hưởng đến nhiệt độ và tuổi thọ cáp.

• Mô hình bộ giới hạn điện áp (SVL): Thiết bị bảo vệ mối nối đảo vỏ khỏi quá áp, với các thông số kỹ thuật như điện áp định mức và năng lượng hấp thụ được tính toán dựa trên đặc tính quá điện áp khí quyển và điện áp cảm ứng trên vỏ.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp cảm ứng, dòng điện xoáy, dòng điện tuần hoàn, nối đất đảo vỏ, bộ giới hạn điện áp vỏ (SVL), và mô hình mô phỏng EMTPWorks.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng EMTPWorks để mô hình hóa hệ thống điện và tính toán điện áp cảm ứng trên lớp vỏ kim loại cáp ngầm. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ tuyến cáp ngầm 220 kV Long Biên – Mai Động dài 15,3 km, bao gồm hai đoạn cáp ngầm chính và đoạn đường dây trên không vượt sông Hồng.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ hệ thống với các phương án nối đất khác nhau: nối đất một điểm, nối đất hai điểm và nối đất đảo vỏ. Các thông số đầu vào được lấy từ số liệu thực tế của dự án, bao gồm đặc tính kỹ thuật cáp XLPE-1600, mô hình cột đường dây, mô hình nguồn điện và mô hình dòng sét tiêu chuẩn 1,2/50 µs.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong quá trình học tập và thực hiện luận văn, với các bước chính gồm: thu thập số liệu, xây dựng mô hình hệ thống, mô phỏng các phương án nối đất, tính toán điện áp cảm ứng và dòng điện trên vỏ cáp, lựa chọn phương án tối ưu và tính toán thông số bộ giới hạn điện áp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại khi nối đất một điểm: Mô phỏng cho thấy điện áp cảm ứng tại vị trí xa điểm nối đất có thể lên đến khoảng 141 V (điện áp đỉnh), vượt ngưỡng an toàn 100 V quy định. Điện áp cảm ứng giảm khi nối đất tại điểm giữa đoạn cáp, nhưng vẫn chưa đạt mức an toàn tối ưu.

2. Phương án nối đất hai điểm: Giảm đáng kể điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại, với điện áp đỉnh giảm khoảng 40-50% so với nối đất một điểm. Tuy nhiên, dòng điện tuần hoàn trên vỏ cáp tăng lên, gây tổn thất nhiệt và giảm khả năng tải của cáp.

3. Nối đất đảo vỏ (cross bonding): Phương án này cho phép giảm điện áp cảm ứng xuống dưới 100 V, đồng thời giảm dòng điện tuần hoàn trên vỏ kim loại, giúp tăng khả năng tải và tuổi thọ cáp. Số chu kỳ đảo vỏ và chiều dài phân đoạn được điều chỉnh để đảm bảo điện áp cảm ứng nằm trong giới hạn cho phép.

4. Thông số bộ giới hạn điện áp (SVL): Điện áp định mức của SVL được lựa chọn dựa trên giá trị điện áp cảm ứng tối đa trong các phương án nối đất, đảm bảo khả năng hấp thụ năng lượng xung quá áp khí quyển mà không gây hư hỏng. Năng lượng hấp thụ của SVL được tính toán phù hợp với dòng sét tiêu chuẩn 1,2/50 µs.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy phương án nối đất đảo vỏ là tối ưu nhất về mặt kỹ thuật và kinh tế, phù hợp với đặc điểm tuyến cáp dài 15,3 km và yêu cầu vận hành an toàn. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này tương đồng với xu hướng áp dụng kỹ thuật cross bonding tại nhiều quốc gia phát triển.

Điện áp cảm ứng cao khi nối đất một điểm là do dòng điện cảm ứng không được phân tán, gây nguy hiểm cho nhân viên vận hành và thiết bị. Nối đất hai điểm tuy giảm điện áp nhưng tăng tổn thất, không phù hợp với cáp dài. Nối đất đảo vỏ khắc phục được nhược điểm này nhờ phân đoạn cáp và hoán vị vỏ, giảm dòng điện tuần hoàn và điện áp cảm ứng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp cảm ứng theo chiều dài cáp cho từng phương án nối đất, bảng so sánh dòng điện cảm ứng và tổn thất nhiệt, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng phương án.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương án nối đất đảo vỏ (cross bonding) cho tuyến cáp 220 kV Long Biên – Mai Động: Giảm điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại xuống dưới 100 V, tăng tuổi thọ và khả năng tải cáp. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn bảo trì hoặc nâng cấp hệ thống. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và đơn vị vận hành lưới điện.

2. Lắp đặt bộ giới hạn điện áp (SVL) tại các điểm nối đất phân đoạn: Đảm bảo bảo vệ mối nối đảo vỏ khỏi quá áp khí quyển, giảm nguy cơ hư hỏng thiết bị. Thời gian: song song với việc triển khai phương án nối đất đảo vỏ. Chủ thể: Nhà thầu thi công và đơn vị vận hành.

3. Giám sát nhiệt độ và dòng điện trên vỏ kim loại cáp: Sử dụng cảm biến nhiệt độ phân bố (DTS) để phát hiện điểm nóng, đảm bảo vận hành an toàn và tối ưu khả năng tải. Thời gian: liên tục trong quá trình vận hành. Chủ thể: Đơn vị vận hành và bảo trì.

4. Đào tạo nhân viên vận hành về kỹ thuật nối đất và bảo vệ cáp ngầm: Nâng cao nhận thức và kỹ năng xử lý sự cố liên quan đến điện áp cảm ứng và bộ giới hạn điện áp. Thời gian: định kỳ hàng năm. Chủ thể: Ban đào tạo và đơn vị vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia hệ thống điện: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về điện áp cảm ứng và phương pháp nối đất vỏ kim loại cáp ngầm, áp dụng trong thiết kế và vận hành hệ thống truyền tải điện cao áp.

2. Đơn vị quản lý và vận hành lưới điện: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn phương án nối đất và thiết bị bảo vệ phù hợp, nâng cao độ tin cậy và an toàn vận hành.

3. Nhà thầu thi công và tư vấn kỹ thuật: Tham khảo mô hình mô phỏng và phương pháp tính toán để thiết kế hệ thống cáp ngầm và các giải pháp kỹ thuật đi kèm.

4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Học tập và phát triển kỹ năng mô phỏng hệ thống điện, hiểu rõ các vấn đề kỹ thuật liên quan đến cáp ngầm cao áp và bảo vệ thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

1. Điện áp cảm ứng trên vỏ kim loại cáp ngầm là gì?
   Điện áp cảm ứng là điện áp xuất hiện trên lớp vỏ kim loại của cáp do từ trường biến thiên tạo ra bởi dòng điện xoay chiều trong lõi cáp. Ví dụ, với cáp 220 kV, điện áp này có thể lên đến 100-400 V nếu không có biện pháp nối đất phù hợp.

2. Tại sao phải lựa chọn phương án nối đất vỏ kim loại?
   Phương án nối đất ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng và dòng điện tuần hoàn trên vỏ cáp, từ đó ảnh hưởng đến an toàn vận hành và tổn thất điện năng. Lựa chọn đúng giúp giảm điện áp cảm ứng xuống mức an toàn và giảm tổn thất.

3. Phương án nối đất đảo vỏ (cross bonding) có ưu điểm gì?
   Cross bonding phân đoạn cáp và hoán vị vỏ kim loại giúp cân bằng điện áp cảm ứng, giảm dòng điện tuần hoàn và tổn thất nhiệt, tăng khả năng tải và tuổi thọ cáp. Đây là phương án được nhiều quốc gia áp dụng cho cáp dài.

4. Bộ giới hạn điện áp (SVL) hoạt động như thế nào?
   SVL bảo vệ mối nối đảo vỏ khỏi quá áp bằng cách hấp thụ năng lượng xung quá áp khí quyển, ngăn ngừa hư hỏng cách điện và thiết bị. Điện áp định mức và năng lượng hấp thụ của SVL được tính toán dựa trên điện áp cảm ứng và đặc tính dòng sét.

5. Phần mềm EMTPWorks được sử dụng để làm gì trong nghiên cứu này?
   EMTPWorks mô phỏng quá trình quá độ điện trong hệ thống điện, giúp tính toán điện áp cảm ứng, dòng điện trên vỏ cáp và đánh giá hiệu quả các phương án nối đất, từ đó hỗ trợ lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích và mô phỏng điện áp cảm ứng trên lớp vỏ kim loại tuyến cáp ngầm 220 kV Long Biên – Mai Động, xác định ảnh hưởng của các phương án nối đất khác nhau.
• Phương án nối đất đảo vỏ (cross bonding) được lựa chọn là tối ưu, giảm điện áp cảm ứng xuống dưới 100 V và giảm tổn thất dòng điện tuần hoàn.
• Thông số bộ giới hạn điện áp (SVL) được tính toán phù hợp với đặc tính quá điện áp khí quyển và điện áp cảm ứng trên vỏ cáp.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy, an toàn và hiệu quả kinh tế kỹ thuật cho hệ thống truyền tải điện cao áp tại Hà Nội.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế phương án nối đất đảo vỏ, lắp đặt SVL và giám sát vận hành liên tục để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Đề nghị các đơn vị liên quan áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng vận hành hệ thống cáp ngầm cao áp, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các tuyến cáp khác trong hệ thống điện quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu. CHƯƠNG 2 trình bày tổng quan về công nghệ cáp ngầm. CHƯƠNG 3 trình bày các phương pháp nối đất lớp vỏ kim loại cáp ngầm cao áp. CHƯƠNG 4 tập trung phân tích, lựa chọn sơ đồ nối đất lớp vỏ kim loại cáp ngầm của tuyến đường dây 220kV Long Biên – Mai Động.

CHƯƠNG 5, Luận văn tập trung tìm hiểu lý thuyết liên quan đến bộ giới hạn điện áp và lựa chọn thông số của bộ giới hạn điện áp. CHƯƠNG 6: Kết luận tổng kết các kết quả nghiên cứu và tính toán của Luận văn. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁP NGẦM 2.1 Giới thiệu chung. Cáp ngầm được sử dụng để truyền tải và phân phối điện năng ở những nơi không thể lắp đặt đường dây điện trên cao.

Những vị trí như vậy có thể là những khu vực đông dân cư, xung quanh nhà máy và trạm biến áp hoặc khu giao cắt của các vùng nước rộng và nhiều lý do khác. Loại cáp được sử dụng sẽ phụ thuộc vào điện áp và mục đích sử dụng. Những cải tiến gần đây trong thiết kế và sản xuất đã mang đến sự phát triển của các loại cáp ngầm phù hợp để sử dụng ở điện áp cao. Việc thiết kế cáp sẽ do nhà chế tạo thực hiện theo đặc điểm của công trình.

Tuy nhiên, cáp sử dụng cho công trình phải được thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 62067. Hiện nay trên thế giới đang sử dụng 2 loại cáp ngầm phổ biến cho lưới truyền tải điện là: Cáp dầu (oil filled cable) và cáp khô cách điện bằng polyethylene lưu hóa khô có các mối liên kết phân tử theo chiều ngang (XLPE). - Cáp dầu: Có ưu điểm là dầu lưu thông bên trong cáp và được giữ ở áp suất cao hơn áp suất không khí để ngăn chặn các rạn nứt phát sinh trong lớp cách điện, nên ngăn chặn kịp thời sự hư hỏng do cách điện, dẫn tới đảm bảo độ tin cậy của cách điện, tăng giới hạn nhiệt độ của lõi dẫn, tăng khả năng tải và giảm độ dày cách điện. Tuy nhiên khuyết điểm là đòi hỏi phải có các thiết bị ngoại vi như: thiết bị cấp dầu, các thiết bị kiểm soát, mặt bằng để lắp đặt các thiết bị này, tổn hao điện môi cao.

- Cáp XLPE: Có ưu điểm cách điện tốt, tổn hao điện môi thấp, tính mềm dẻo về cơ học và trọng lượng nhẹ. Do loại cáp này không chứa dầu nên có thể sử dụng ở mọi dạng địa hình. Với các ưu điểm ở trên và chi phí đầu tư thấp hơn, cáp ngầm cao áp với cách điện XLPE được sử dụng phổ biến hơn tại Việt Nam. Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu về cáp ngầm cao áp với cách điện XLPE.2 Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm cao áp cách điện XLPE.

Cáp là dây dẫn điện mềm được bọc cách điện và bọc vỏ kim loại hoặc vật liệu polymer để ngăn chặn các tác động bên ngoài đối với cách điện như chênh lệch 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 trúc điển hình của cáp XLPE bao gồm các lớp được mô tả theo thứ tự từ trong ra ngoài như trên Hình 2.1: Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm cao áp Bảng 2.1: Cấu trúc điển hình của cáp điện cao áp với cách điện XLPE Tên Công Tiêu chuẩn áp STT Ghi chú gọi dụng dụng - Với tiết diện dưới 1000mm2 lõi gồm các sợi đồng nhỏ bện xoắn tròn. - Với tiết diện từ 1000mm2 trở lên lõi Ruột gồm nhiều múi, thường là 4 trở lên, mỗi múi gồm các sợi đồng nhỏ bện TCVN6612: dẫn 1 Dẫn điện xoắn lại.

2007; (Lõi - Phần khe hở giữa các múi được lấp IEC60228 cáp) đầy bằng vật liệu chống thấm nước theo chiều dọc cáp. - Tiêu chuẩn áp dụng cho lõi cáp: IEC 228 - Màn chắn dẫn là vật liệu bán dẫn vì vật liệu bán dẫn không dẫn điện tốt Duy trì và cũng không cách điện tốt. Nhờ đó Màn điện mà nó dễ “làm ổn định” các bất 2 chắn trường thường bề mặt của ruột dẫn. IEC 60502-1 lõi đều trong - Bề mặt của lớp này phải nhẵn, nó rất lõi cáp quan trọng vì nó làm giảm sự xuất hiện của các vùng có ứng suất điện cao.

14 IEC 62067 Lớp IEC 60229 cách - Croos-linked Polyethylene (XLPE) IEC 60815 Cách điện là loại vật liệu cách điện có nhiều ưu 2 điện IEC 60840 cho cáp điểm nổi bật. chính - Chế tạo bằng công nghệ ép đùn. IEC 60243 XLPE TCVN 122266:2018 - Vật liệu compound bán dẫn, có tác Chống I- dụng làm giảm khả năng gây I-on Lớp hóa bề mặt lớp cách điện. on hóa bề 3 bán - Được ép đùn cùng lúc với lớp cách IEC 60502 mặt cách dẫn điện (3) và lớp bán dẫn (2).

điện - Đôi khi có thể thêm một lớp băng quấn cùng tính chất Lớp Chống - Chế tạo từ vật liệu trương nở và bão chống nước hòa nước khi gặp nước thấm vào, do IEC 60840 4 thấm dọc thấm đó chống được nước thấm dọc theo TCVN12226 theo khe dọc hở cáp. - Ngoài công dụng bảo vệ cơ học cho Vỏ Bảo vệ cơ cáp, lớp vỏ (hoặc giáp) kim loại này IEC 60949 còn đóng vai trò tản dòng ngắn mạch 5 kim học cho IEC 60840 khi có sự cố ngắn mạch xảy ra. loại cáp - Vỏ kim loại cáp là loại nhôm gợn IEC 62067 sóng, băng đồng hoặc lưới đồng. - Làm bằng PVC hoặc PE.

PE có nhiều ưu điểm hơn. IEC 62067 - Có tác dụng bảo vệ lớp vỏ (giáp) kim Vỏ Bảo vệ loại khỏi bị tác động ăn mòn điện IEC 60229 6 hóa của môi trường. IEC 60815 ngoài chung - Có thể phủ thêm 1 lớp chất bền nhiệt IEC60243 để chống cháy vỏ cáp khi có hỏa IEC 60811 hoạn xảy ra (áp dụng cho các đoạn cáp tiếp xúc với không khí).3 Khả năng mang tải của cáp ngầm. Dòng điện tải liên tục của cáp cách điện bằng XLPE được tính toán phù hợp với tiêu chuẩn IEC 60287.

Nhiệt độ phát nóng trên cáp gây ra do tổn thất trong lõi, tổn hao điện môi, tổn thất trong vỏ kim loại. Theo tiêu chuẩn giới hạn khả năng tải của đường cáp, nhiệt độ lớn nhất trong lõi cáp không được lớn hơn 90oC, trong chế độ vận hành bình thường. Sự phát nhiệt từ bề mặt cáp ra môi trường xung quanh khác nhau, tuỳ thuộc vào vật liệu vỏ kim loại cáp. 15 Theo IEC 60287, khả năng tải của cáp được xác định theo công thức sau [2]: ∆θ − Wd 0.

+ Δθ : Độ tăng nhiệt độ ruột dẫn so với môi trường bên ngoài. +R : Điện trở xoay chiều của ruột dẫn khi nhiệt độ vận hành lớn nhất, tính cho 1 đơn vị chiều dài (Ω/m). Điện trở xoay chiều của ruột dẫn được tính như sau: R = R’.2) Với: R’ : điện trở một chiều của ruột dẫn khi nhiệt độ vận hành lớn nhất, tính cho 1 đơn vị chiều dài (Ω/m). YS : Hệ số tính đến hiệu ứng bề mặt.

Yp : Hệ số tính đến hiệu ứng ở gần. + Wd : Tổn hao điện môi trong cách điện, tính trên đơn vị chiều dài (W/m). Tổn hao điện môi đơn vị của mỗi pha được tính như sau: Wd = ω.3) Với: C : Điện dung đơn vị của lõi dẫn (F/m). tgδ : số tổn hao của cách điện.

+ T1 ÷ T4: Nhiệt trở của các lớp bao ngoài ruột dẫn, tính từ bề mặt ruột dẫn ra đến môi trường bên ngoài. +n : Số ruột dẫn (lõi) của cáp. + λ1 : Tỷ lệ giữa tổn thất trong vỏ hoặc lớp vỏ kim loại và tổng tổn thất trong ruột dẫn của cáp. Tổn thất trong vỏ hoặc lớp vỏ kim loại (λ1) bao gồm tổn thất gây ra bởi dòng vòng (λ’1) và dòng xoáy (λ”1): λ1 = λ’1 + λ”1 + λ2 : Tỷ lệ giữa tổn thất trong lớp vỏ bên ngoài hoặc ống thép và tổng tổn thất trong ruột dẫn của cáp.

Công thức theo IEC 60287 quy định cách tính toán dòng mang tải của cáp ngầm với điều kiện đã xác định được cấu trúc và vật liệu của các thành phần cấu thành sợi cáp, cũng như cấu hình lắp đặt cáp và tính chất môi trường xung quanh, do đó chỉ để kiểm tra lại xem loại cáp lựa chọn có đảm bảo dòng tải theo tiêu chuẩn không.4 Giải pháp chống thấm cho cáp. Cách điện XLPE khi dùng trong môi trường nước sẽ bị hơi ẩm thẩm thấu vào cách điện, khi gặp lớp màn chắn lõi sẽ tạo ra các điểm yếu về điện, dẫn đến hình thành cây nước (water treeing) và cây nước phát triển thành cây điện (electrical treeing). Dưới tác động của điện từ trường và nhiệt độ cao, cách điện của cáp có thể bị chọc thủng sau 5÷10 năm khi cáp vận hành trong môi trường có nước và có thể nhanh hơn nữa, khi đó, tuổi thọ của cáp bị suy giảm nhanh chóng. Để giải quyết vấn đề này rất nhiều phương pháp đã đưa ra như sử dụng lớp vỏ kim loại chống nước hoặc sử dụng các hợp chất với thành phần cơ bản là làm chậm quá trình hình thành cây nước.

Một trong số các giải pháp chống thấm hiệu quả được các nhà sản xuất cáp áp dụng hiện nay là dùng lớp vỏ bằng kim loại nhôm gợn sóng hoặc bằng đồng hay lưới đồng. Ưu nhược điểm của cáp có vỏ kim loại nhôm gợn sóng và cáp có vỏ kim loại bằng đồng hay lưới đồng như sau: Bảng 2.2: Ưu nhược điểm của cáp có vỏ kim loại nhôm gợn sóng và cáp có vỏ kim loại bằng đồng hay lưới đồng Cáp có vỏ kim loại nhôm Cáp có vỏ kim loại bằng đồng Tiêu chí so sánh gợn sóng hoặc lưới đồng Khả năng chống Kém Tốt thấm dọc, ngang Lớn hơn 3-4 lần so với cáp Nhỏ hơn nhiều so với cáp có vỏ có vỏ kim loại bằng bằng kim loại nhôm gợn sóng (lực ép Lực ép mép tường đồng hoặc lưới đồng (lực mép tường khoảng từ 300kGf- ép mép tường khoảng từ 700kGf) 1200kGf-2000kGf) Không. Khi thi công cần phải có hầm thi công kéo cáp, dẫn đến bất Sử dụng cho đoạn tiện do phần lớn tuyến cáp đi trên Có đường giao thông, cần phải hạn cáp dài chế tối đa diện tích chiếm dụng lòng đường trong quá trình thi công. Chí phí Thấp hơn Cao hơn 17 2.5 Phương thức lắp đặt cáp.

Các hình thức lắp đặt cáp phổ biến hiện nay bao gồm: chôn trực tiếp, đặt trong ống, trong hào cáp.