CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong một xã hội ngày càng hiện đại, nhu cầu sử dụng điện năng ngày một tăng lên. Để đáp ứng được nhu cầu đó, phát triển hệ thống lưới điện là một vấn đề thiết yếu. Tuy nhiên, ngoài việc đáp ứng về nhu cầu sử dụng, lưới điện phải đảm bảo vẻ mỹ quan cũng như sự an toàn cho cư dân sinh sống tại khu vực, đặc biệt là khu vực thành phố. Từ đó, các đường dây cáp ngầm được đầu tư ngày càng nhiều, đáp ứng được 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 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.
Trong chương này đồ án sẽ trình bày các lý thuyết liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu. Các nội dung trình bày chính bao gồm cấu tạo và 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 vẻ mỹ quan 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 5 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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 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 trong thời gian gần đây.
Nhìn chung, có ba phương pháp chính để xác định online vị trí sự cố ngắn mạch cáp ngầm được sử dụng đó là phương pháp bơm xung, phương pháp tổng trở và phương pháp sóng truyền. Trong phương pháp bơm xung, một máy tạo xung sẽ bơm một xung dòng (hoặc xung áp) vào đoạn dây có sự cố. Xung điện này sẽ lan truyền trong đường dây với một vận tốc nào đó phụ thuộc cấu trúc đường dây. Khi gặp điểm ngắn mạch, một xung phản xạ sẽ được sinh ra và chạy ngược về điểm ban đầu với cùng vận tốc.
Dựa vào thời điểm phát xung đến và nhận lại xung phản xạ kết hợp với vận tốc truyền sóng mà ta xác định được khoảng cách từ điểm ngắn mạch đến điểm phát xung. Ưu điểm của phương pháp là có độ chính xác cao. Nhược điểm của phương pháp là chỉ áp dụng cho các tuyến dây đã cách ly khỏi lưới điện. Phương pháp yêu cầu phải có thiết bị phát xung chuyên dụng đắt tiền và thiết bị đo lường chính xác cao.
Điều này làm cho phương pháp mất nhiều thời gian để thực hiện, giá thành cao và không thể xác định nhanh vị trí ngắn mạch khi vừa có sự cố.[1] 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 6 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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.[1] Để nâng cao hiệu quả trong vấn đề xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm lưới điện phân phối, đồ án 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 1.1 Cấu tạo cáp ngầm điện lực Trong lịch sử hình thành và phát triển của cáp ngầm điện lực, có nhiều loại cáp điện lực đã ra đời. Trong tự nhiên, dòng điện có xu hướng quay trở về đất. Vì vậy, để tối thiểu tổn thất điện năng một cách tốt nhất, các loại cáp ngầm khi được đưa vào sử dụng phải có cách điện tốt nhất. Nếu so với cách điện của cáp trên không thì cáp ngầm phải tốt hơn gấp nhiều lần.
Chính điều này đã làm cho kết cấu của cáp ngầm điện lực phức tạp hơn đường dây trên không rất nhiều. Do đó cũng yêu cầu cao hơn về công nghệ sản xuất cho cáp ngầm. Đây chính là yếu tố cơ bản làm tăng chi phí sản xuất cáp ngầm điện lực. Cấu tạo cáp ngầm điện lực bao gồm các thành phần cơ bản sau: 1.1 Dây dẫn điện Tương tự như dây dẫn trên không, đồng và nhôm là hai vật liệu chủ yếu để sản xuất dây dẫn điện.
Đồng là vật liệu làm dây dẫn điện chiếm ưu thế nhất hiện nay. Do đồng có khả năng dẫn điện tốt, chỉ đứng sau bạc nhưng giá thành lại thấp hơn bạc rất nhiều. Dây dẫn được làm với nhiều định dạng khác nhau như bện, dây đặc, rẽ quạt. Hình dạng và kích thước của dây dẫn 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. Tuy nhiên nhôm có đặc điểm là rất khó hàn và mối hàn không chắc chắn. Khi nối cáp nhôm phải đảm bảo rằng không có oxit nhôm 7 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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 nổi bật với độ bền cơ học cao mang lại tuổi thọ lâu hơn trong quá trình sử dụng.
Có khả năng chịu được nhiệt trong thời gian dài, đối với dòng ngắn mạch có thể chịu được nhiệt độ cao (250oC). XLPE có cường độ điện môi cao, tính chất về điện cực tốt trên dãy nhiệt độ rộng. Với đặc tính chống nước và không hút ẩm, XLPE phù hợp trong môi trường đất. 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.
8 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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. Hình 1-2 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.