CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong chương này sẽ trình bày các lý thuyết liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của luận văn. Các nội dung trình bày chính bao gồm vai trò của đường dây phân phối cáp ngầm trong tình hình phát triển lưới điện hiện nay, các khái niệm về ngắn mạch, các loại ngắn mạch và tình hình nghiên cứu định vị sự cố ngắn mạch cáp ngầm hiện nay.1 Tính cần thiết Việc phát triển lưới điện phân phối cáp ngầm là một yêu cầu tất yếu đối với các đô thị ngày nay. Cáp ngầm có ưu điểm là hầu như không chiếm không gian, không ảnh hưởng đến sinh hoạt hằng ngày của người dân, không có tác hại gây ra bởi dòng điện truyền đi trong dây dẫn do dây cáp được chôn trong đất. Để đảm bảo vẽ mỹ quang cho đô thị và an toàn cho người dân khỏi sự cố rò điện trong mùa mưa bão, cáp ngầm được sử dụng để dần thay thế cho các đường dây trên không trong các thành phố, đô thị và các khu dân cư tập trung.
Khi có sự cố lưới điện phân phối xảy ra, cáp ngầm sẽ có nhiều bất lợi hơn đường dây trên không là sẽ khó phát hiện được vị trí sự cố do được chôn ngầm trong đất hay đi trong các ống dẫn. Ngoài ra, việc đấu nối cáp ngầm sẽ phức tạp và yêu cầu kỹ thuật và thiết bị chuyên dụng nên sẽ tốn rất nhiều thời gian khắc phục sự cố để tiếp tục cung cấp điện cho khách hàng tiêu thụ điện. Nhằm giảm thiểu thời gian mất điện và nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện phân phối cần phải có một phương pháp khả thi để xác định nhanh vị trí sự cố ngắn mạch trong cáp ngầm. Nhanh chóng xác định vị trí ngắn mạch này sẽ giúp nhanh chóng xác định đoạn cáp bị sự cố ngắn mạch, cách ly nhanh đoạn ngắn mạch và cung cấp điện cho các nhánh không bị sự cố còn lại trên lưới điện phân phối.
Lưới điện phân phối có đặc điểm là có nhiều nhánh rẽ, nhiều nút phụ tải và các phụ tải không cân bằng giữa các pha. Do đó hầu như không thể áp dụng chính xác các phương pháp xác định vị trí ngắn mạch lưới điện truyền tải vào lưới điện phân 6 phối. Việc cách ly đoạn sự cố để xác định vị trí ngắn mạch là một việc làm mất nhiều thời gian và lưới điện phân phối sẽ bị mất điện khá lâu nên xu hướng chung trong việc xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm lưới điện phân phối là xác định online tức là xác định nhanh vị trí ngắn mạch khi nó vừa xuất hiện. Có nhiều nghiên cứu được đưa ra để xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên lưới điện phân phối [3-7] trong thời gian gần đây.
Nhìn chung, có hai phương pháp chính để xác định online vị trí sự cố ngắn mạch cáp ngầm được sử dụng đó là phương pháp tổng trở và phương pháp sóng truyền. Phương pháp sóng truyền xác định vị trí ngắn mạch dựa trên tín hiệu quá độ tần số cao khi có sự cố ngắn mạch xảy ra trên lưới điện đang vận hành. Phương pháp sóng truyền có ưu điểm là độ chính xác cao, ít phụ thuộc vào giá trị phụ tải trên các nút phụ tải. Tuy nhiên với yêu cầu phải có các bộ đo lường với tốc độ chuyển đổi ADC tốc độ cao (từ 100 KHz đến vài MHz) để có thể thu được các tín hiệu một cách chính xác và cấu hình bộ xử lí số liệu mạnh (tốc độ xử lí nhanh) để thực hiện các phép biến đổi đại số nên giá thành thiết bị đắt nên chưa thể áp dụng đại trà cho các trạm biến áp phân phối.
Phương pháp tổng trở có ưu điểm khi không yêu cầu thiết bị chuyên dụng đắt tiền như phương pháp sóng truyền nhưng do sử dụng các giải thuật giải tích mạch điện qua các nút nên thường có sai số lớn. Để nâng cao hiệu quả trong vấn đề xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm lưới điện phân phối, luận văn đề xuất phương pháp xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm lưới điện phân phối dựa trên phương pháp tổng trở có xét đến tính chất thuần trở của điện trở ngắn mạch. Với phương pháp tổng trở sẽ giảm được chi phí đầu tư thiết bị trên lưới điện, với việc xét đến tính chất thuần trở của điện trở ngắn mạch sẽ giúp giảm sai số trong việc tính toán vị trí ngắn mạch của các phương pháp tổng trở nói chung.2 Cáp ngầm điện lực Cùng với sự phát triển của hệ thống điện để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng cao trong một xã hội hiện đại, các đường dây cáp ngầm cũng được đầu tư ngày càng nhiều khi yêu cầu về độ an toàn cho người, đường dây, yêu cầu cấp điện liên tục và chất lượng điện năng đảm bảo của hệ thống điện, hay tại các công trình không thể 7 dùng đường dây trên không bởi lý do an toàn như các đường dây vượt biển, vượt sông, các đường dây điện trong các thành phố đông dân cư.1 Cấu tạo cáp ngầm điện lực Trong lịch sử hình thành và phát triển của cáp ngầm điện lực, có nhiều cấu hình cấu tạo cáp điện lực đã ra đời. Khi một sợi cáp được đưa đặt dưới đất, cách điện càng phải tốt hơn nhiều so với đường dây trên không.
Dòng điện trong tự nhiên có xu hướng quay trở về đất và vì thế dây dẫn cần phải có cách điện tốt để giảm thiểu tổn thất điện năng. Chính điều này đã làm cho kết cấu của cáp ngầm điện lực phức tạp hơn đường dây trên không rất nhiều. Việc chế tạo cáp ngầm điện lực cũng đòi hỏi yêu cầu công nghệ cao hơn nhiều việc chế tạo đường dây trên không. Đây chính là yếu tố cơ bản làm tăng chi phí sản xuất cáp ngầm điện lực.
Nhìn chung cấu tạo cáp ngầm điện lực bao gồm các thành phần cơ bản sau: 1.1 Dây dẫn điện Đồng vẫn là vật liệu làm dây dẫn điện chiếm ưu thế nhất hiện nay. Dây dẫn được làm với nhiều định dạng khác nhau như bện, dây đặc, rẽ quạt. Dây dẫn điện có hình dạng như thế nào là phụ thuộc rất lớn vào giá thành cáp của nước sản xuất tại thời điểm đấu thầu. Nhôm cũng được dùng làm dây dẫn điện bởi đặc tính nhẹ hơn và dễ thao tác hơn đối với các sợi cáp lớn.
Thêm một điểm quan tâm nữa là khi nối cáp nhôm phải đảm bảo rằng không có oxit nhôm trên bề mặt tiếp xúc, điều này không cần thiết khi nối dây dẫn điện bằng đồng hay đồng thau.2 Chất cách điện - Giấy cách điện: Hình 1.1 Mặt cắt ngang một số cáp ngầm cách điện giấy tẩm dầu. Giấy tẩm dầu, giấy cách điện cáp ngầm điện lực được áp dụng tại tất cả các cấp điện áp hoạt động. Đây là chất cách điện được dùng đầu tiên cho cáp ngầm điện lực khi công nghệ vật liệu chưa phát triển. Trong vấn đề vận hành lưới điện cáp ngầm giấy tẩm dầu yêu cầu bảo trì bảo dưỡng liên tục và yêu cầu kỹ thuật cao trong vận hành nên ngày nay chúng ít được dùng cho các công trình mới.
- Cách điện bằng XLPE: XLPE (Cross-linked polyethylene) là loại cách điện thông dụng nhất trong việc chế tạo cáp ngầm hiện nay. XLPE với lợi thế có cường độ điện môi cao, sức bền cơ học tốt và đặc tính không hút ẩm với khả năng ôn định nhiệt độ trên một dãy nhiệt độ rộng. XLPE không có điểm nóng chảy rõ ràng và có thể duy trì độ đàn hồi ở nhiệt độ cao do đó cho phép có khả năng mang dòng điện lớn hơn, có khả năng quá tải, khả năng chịu đựng ngắn mạch khi so sánh với cáp ngầm điện lực cách điện bằng giấy tẩm dầu. Cáp ngầm điện lực XLPE có phần cách điện dày hơn so với cáp ngầm điện lực giấy tẩm dầu.
Kết quả là cáp XLPE thường có đường kính cáp lớn hơn và chiều dài cáp thường ngắn hơn một ít khi chứa trong cùng một cuộn cáp khi so sánh với cáp ngầm khác.2 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện XLPE. - Cách điện EPR: Cáp ngầm cách điện dùng cao su ethylene propylene có cấu trúc giống như cáp XLPE và cũng được sản xuất với quy trình tương tự. Cả EPR và XLPE đều bền bỉ và có đặc tính chịu nhiệt tốt, tuy nhiên, EPR có khả năng co giãn tốt hơn trong một dãy nhiệt độ rộng. Điều này làm cho cáp EPR có chất lượng cao hơn các loại cáp ngầm điện lực khác hiện nay.
Tuy nhiên, việc chế tạo cáp ngầm điện lực EPR với công nghệ hiện tại có giá thành rất cao nên không thể triển khai sản xuất hàng loạt. cáp ngầm điện lực EPR chỉ được dùng cho công trình có tính chất quan trọng và yêu cầu cao về tính an toàn vận hành và cấp điện.3 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện EPR.3 Màn bảo vệ Có hai loại màn bảo vệ khác nhau trong cáp ngầm điện lực. Màn bảo vệ cho từng dây dẫn điện (Sheaths) và màn bảo vệ cho cả dây cáp điện (screening). Trước đây, chì và các hợp kim chì được dùng để chế tạo màn bảo vệ cáp ngầm bởi sự dẻo dai và khả năng chống ẩm của hợp chất chì.
Tuy nhiên, ngày nay màn bảo vệ cáp được sản xuất từ vật liệu nhôm và các hợp kim nhôm bởi giá thành sản xuất rẻ hơn trong khi vẫn đảm bảo tốt yêu cầu kỹ thuật. Màn bảo vệ có nhiệm vụ bảo vệ dây dẫn và cách điện bên trong chống lại các tác động cơ học từ bên ngoài hay sự thâm nhập của hơi ẩm hay nước thâm nhập vào sợi cáp ngầm. Ngoài ra, các màn bảo vệ được nối đất qua hệ thống tiếp đất sẽ tạo thành chiếc lồng Faraday có tác dụng bảo vệ dây dẫn khỏi các tác động nhiễu điện từ ở bên ngoài và đồng thời giảm thiểu tác động của trường điện từ do dòng điện chạy bên trong dây dẫn ra môi trường bên ngoài. Đây là lý do chính khiến khoảng cách đảm bảo an toàn của cáp ngầm nhỏ hơn nhiều so với đường dây trên không có cùng cấp điện áp.4 Vỏ cáp Với mục đích bảo vệ cáp ngầm khỏi những hư hại cơ học do đào hay cuốc trúng dây cáp ngầm, do sụt đất hoặc rung động quá mức chịu đựng, các cáp ngầm điện lực được phủ một hoặc hai lớp thép mạ kẽm, lớp lưới đan từ thép mạ kẽm, cuộn xoắn tròn quanh cáp ngầm bằng thép mạ kẽm quanh sợi cáp ngầm.