Chương 1. Truyền sóng trên đường dây truyền tải hỗn hợp Giới thiệu các loại cáp truyền tải, một số sự cố điển hình trong cáp truyền tải và truyền sóng trên đường dây trên không- cáp. Giới thiệu một số loại sự cố điển hình trong cáp. Tính toán quá trình truyền sóng trong cáp, các mô hình mô phỏng sử dụng 6 trong tính toán truyền sóng bằng phần mềm EMTP/ATP được trình bày chi tiết trong chương này.
Ảnh hưởng của môi trường đặt cáp đến quá điện áp trên đường dây truyền tải hỗn hợp Trình bày các thông số trong quá trình truyền sóng trên lõi và vỏ cáp như suy giảm, hệ số tổn hao, vận tốc truyền sóng và điện áp lớp nhất. Các kết quả tính toán quá điện áp trên lõi và vỏ cáp trong các môi trường đặt cáp khác nhau và cách sắp xếp cáp khác nhau. Bảo vệ cách điện vỏ cáp Trình bày kết quả tính toán dòng điện cảm ứng và điện áp cảm ứng trên vỏ cáp. Giới thiệu các phương pháp nối đất vỏ cáp.
Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đặt cáp, công suất ngắn mạch, phương pháp nối vỏ đến quá điện áp cảm ứng trên vỏ cáp. Tính toán phân bố điện áp dọc theo chiều dài cáp Chương này trình bày kết quả tính toán quá trình truyền sóng từ đường dây trên không vào lõi và vỏ cáp để từ đó xác định vị trí xuất hiện điện áp lớn nhất trên lõi và vỏ cáp. Quá điện áp cộng hưởng do sóng hài Các hiện tượng cộng hưởng trong hệ thống điện và phương pháp tính toán tổng trở điều hòa trong hệ thống truyền tải điện được trình bày chi tiết trong chương này. Quá điện áp cộng hưởng trong hệ thống truyền tải có cấu trúc hỗn hợp tương ứng với sóng hài đặc trưng cho từng nguồn hài được tính toán cụ thể.
Phương pháp tính toán được áp dụng cho một lưới điện IEEE điển hình và lưới điện 220 kV khu vực Hà Nội. Kết luận và hướng phát triển Đánh giá tổng hợp các kết quả đã đạt được và so sánh với các mục tiêu nghiên cứu đã đề ra; đồng thời đề xuất các hướng nghiên cứu trong tương lai để khắc phục các hạn chế còn tồn tại trong luận án. TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI HỖN HỢP 1. Mở đầu Khác với đường dây trên không trong đó quá trình truyền sóng trên ba pha bao giờ cũng trở về nguồn qua đất, quá trình truyền sóng trong cáp phức tạp hơn do cấu tạo cáp, ví dụ đơn giản nhất là một cáp đơn bao giờ cũng có ít nhất 2 phần dẫn điện là lõi cáp và vỏ cáp trong khi một pha ở đường dây trên không chỉ có duy nhất một phần dẫn điện.
Như vậy trong hệ thống cáp ngầm ba pha, quá trình truyền sóng xảy ra trên ít nhất là 6 dây trước khi trở về nguồn qua đất. Số lượng phần dẫn điện của hệ thống cáp ba pha còn tăng lên nếu có thêm lớp đai (armor) bảo vệ. Mặt khác, phần đất bao quanh cáp được thay thế bằng không khí nếu cáp đi trên không hoặc đi trên cầu dẫn đến tổng trở sóng của vỏ cáp ở phần đi ngoài đất tương đương với tổng trở sóng của đường dây trên không. Sự phức tạp trong quá trình truyền sóng ở đường dây hỗn hợp càng đáng quan tâm do dòng điện sét lan truyền vào cáp ngầm từ đường dây trên không xuất hiện thường xuyên hơn để gây quá điện áp trên cách điện của vỏ cáp.
Chính vì vậy, hiểu rõ quá trình truyền sóng trong cáp và ảnh hưởng của các thông số cáp như tổng trở sóng, tổng trở nối tiếp và tổng trở shunt đến quá trình truyền sóng là cơ sở cho các mô phỏng quá độ điện áp trên đường dây truyền tải hỗn hợp, đồng thời cho phép dự đoán hoặc lý giải những vị trí xảy ra quá điện áp trong hệ thống truyền tải hỗn hợp. Chương này sẽ giới thiệu cấu tạo của một số cáp truyền tải thông dụng với trọng tâm là cáp truyền tải sử dụng cách điện rắn XLPE, loại cáp truyền tải duy nhất được sử dụng ở lưới điện Việt Nam và được dùng làm đối tượng mô phỏng trong toàn bộ luận án. Sau đó phương trình truyền sóng trong cáp ngầm được trình bày cùng với mô tả cách tính toán thông số cáp ở cả miền tần số và miền modal. Nội dung cuối của chương giới thiệu phần mềm EMTP/ATP ứng dụng trong tính toán quá điện áp trong đường dây truyền tải hỗn hợp bao gồm: lựa chọn các mô hình mô phỏng cho cáp, đường dây trên không, cột và điện trở tiếp địa, nguồn dòng và các thiết bị bảo vệ quá điện áp như CSV và SVL.
Cáp dầu Cáp dầu sử dụng dầu làm chất làm mát cho cách điện chính và kết hợp với cách điện chính để trở thành vật liệu có khả năng chịu được điện áp rất cao. Tuy nhiên, do kết cấu và quy trình bảo trì phức tạp, cáp dầu hầu như chỉ được sử dụng ở cấp truyền tải từ những năm 1930 [46]. Cáp dầu có hai loại chính là cáp dầu trong ống áp lực (pipe type cable) và cáp tự chứa dầu (self-contained fluid filled cable-SCFF). Cáp dầu trong ống áp lực (pipe-type cables) Hình 1.
Cáp dầu trong ống áp lực ở cấp điện áp 275 kV [2] Hình 1.1 minh họa cấu tạo của một cáp dầu trong ống áp lực ở cấp truyền tải với cách điện chính sử dụng giấy Krfat hoặc giấy polypropylene cán theo lớp (laminated polypropylene-LPP). Bọc bên ngoài lớp cách điện chính là lớp vỏ bằng kim loại mỏng để phân bố đều điện trường trong cách điện chính và được nối đất. Do lớp vỏ của ba pha tiếp xúc nhau nên điện áp trên vỏ của loại cáp này bị triệt tiêu và không có tổn hao trên vỏ cáp. Cả ba pha được đặt trong ống thép chứa điện môi là dầu tổng hợp (synthetic oil) ở áp suất cao (thông thường áp suất dầu được duy trì ở khoảng 14 atm) vì thế loại cáp này còn gọi là cáp chất lỏng áp suất cao (high presssure fluid filled-HPFF).
Cáp dầu trong ống áp lực được sử dụng đến cấp điện áp 500 kV và được sử dụng chủ yếu ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và một số nước Trung Đông. Điện môi dầu trong ống có thể được thay thế bằng khí nén để trở thành cáp cách điện khí áp suất cao (High pressure gas filled- HPGF) và được sử dụng ở cấp điện áp thấp hơn [46]. Cáp tự chứa dầu (seld-contained fluid filleds) Từng sợi cáp riêng lẻ của cáp chứa dầu có cấu tạo về cơ bản giống như cáp dầu trong ống áp lực, nghĩa là cũng sử dụng cách điện chính là giấy Kraft tẩm dầu hoặc LPP tẩm dầu tuy nhiên điểm khác nhau cơ bản là phần lõi dẫn điện của cáp tự chứa dầu được đục rỗng để chứa ống dẫn chất làm mát như dầu hoặc nước (hình 1. Chất làm mát được duy trì ở áp suất vừa phải trong khoảng 0.3 atm đến 5 atm.
Phần vỏ của cáp SCFF được thiết kế chắc chắn hơn cáp dầu trong ống áp lực do ngoài nhiệm vụ để tạo điện trường đều nó còn để giữ dầu tẩm của cách điện chính. Vì vậy phần vỏ được làm từ hợp kim chì hoặc nhôm. Phía ngoài vỏ còn một lớp bảo vệ vỏ làm bằng nhựa PVC hoặc polyethylene. Cáp sợi cáp tự chứa dầu có thể được chôn cùng trong một ống nhựa hoặc chôn riêng, loại cáp này được sử dụng đến điện áp 765 kV và được sử dụng rộng rãi tại nhiều nước [46].
Cấu tạo của cáp tự chứa dầu [2] 1. Cáp siêu dẫn Cáp siêu dẫn sử dụng tính chất siêu dẫn của kim loại làm lõi cáp khi duy trì ở nhiệt độ rất thấp, khi đó điện trở của cáp gần như bằng không và về nguyên tắc có thể mang được dòng điện vô cùng lớn. Cấu tạo của cáp siêu dẫn được trình bày trên hình 1.3 trong đó phần lõi dẫn điện được làm bằng chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao (high temperature Superconducting-HTS) quấn trên một ống tạo hình (former). Vật liệu siêu dẫn HTS quấn trên ống tạo hình và được bọc trong cách điện chính bằng giấy hoặc một lớp polymer mỏng.
Nếu phần vật liệu siêu dẫn đặt trong bể lạnh (cryostat) chứa ni tơ lỏng để duy trì trạng thái siêu dẫn và phần cách điện chính (giấy hoặc polymer) được bọc bên ngoài bể lạnh và tiếp xúc với môi trường bên ngoài thì loại cáp này gọi là cáp điện môi ấm (warm dielectric cable). Nếu toàn bộ phần cách điện chính này cùng được nhúng trong nitơ lỏng cùng với lõi dẫn điện siêu dẫn và chứa trong bể lạnh thì cách điện chính được giữ ở nhiệt độ của ni tơ lỏng nên được gọi là cáp điện môi lạnh (cold dielectric cable). Cấu trúc của cáp điện môi ấm (trên) và cáp điện môi lạnh (dưới) [47] 10 1. Cáp cách điện rắn XLPE Cáp sử dụng cách điện rắn là loại cáp phổ biến nhất và được sử dụng hầu như tuyệt đối ở cấp phân phối, tuy nhiên ở cấp truyền tải cáp cách điện rắn mới chỉ bắt đầu được vào sử dụng ở cấp truyền tải từ những năm 1970.
Ba loại cách điện rắn sử dụng cho cáp truyền tải là polyethylene nhiệt dẻo (thermoplastic PE), polyethylene liên kết chéo (XLPE) và cao su ethylene proplylene liên kết chéo (EPR). Ưu điểm lớn nhất của cáp cách điện rắn là cấu trúc đơn giản do không cần sử dụng cách điện lỏng và hệ thống tạo áp suất như cáp dầu, không gây ô nhiễm khi bị hư hỏng, có tổn hao điện môi nhỏ hơn so với cáp dầu. Trong số các cách điện rắn kể trên, cáp XLPE được sử dụng rộng rãi nhất ở cấp truyền tải và đã được ứng dụng đến cấp điện áp 500 kV [48]. Cấu tạo cáp đơn XLPE [2] Do tính chất phổ biến của cáp XLPE, loại cáp này sẽ dược dùng cho tất cả các nghiên cứu mô phỏng trong luận án.4 thể hiện cấu tạo của một sợi cáp XLPE.
Các thành phần chính của một sợi cáp XLPE bao gồm: 1. Lõi dẫn điện Lõi dẫn điện được làm bằng đồng hoặc nhôm với nhiều sợi nhỏ (mỗi sợi có đường kính vài mm) được bện (stranded) cùng nhau để tạo thành lõi dẫn điện. Quy trình bện cho phép giảm tối thiểu khoảng cách giữa các sợi nhỏ để giảm điện trở cáp đồng thời tăng cường tính chất cơ khí cho lõi cáp. Điện trở xoay chiều của lõi dẫn điện rắn lớn hơn điện trở một chiều do hiệu ứng bề mặt (skin effect) và hiệu ứng gần (proximity effect).
Mối quan hệ giữa điện trở một chiều và xoay chiều được thể hiện qua công thức 1.