Các giới hạn ở cáp điện ngầm (HPFF, HPGF, XLPE)

Tóm tắt này nhằm định lượng các giới hạn về lắp đặt, hoạt động và truyền tải điện đối với cáp ngầm, cũng như cung cấp một bản tóm tắt về nhiều yếu tố có liên quan lẫn nhau dẫn đến những giới hạn này. Mục tiêu chính là giải quyết các yếu tố kỹ thuật giới hạn khả năng truyền tải điện của dòng cáp điện này.

Phạm vi nghiên cứu là cáp ngầm HPFF, HPGF và XLPE.

1. Giới hạn của vật liệu

Một số giới hạn về truyền tải điện đối với cáp ngầm là tính chất vật lý của vật liệu. Tính chất vật lý vật liệu phải được tính đến khi thiết kế dây cáp phù hợp với yêu cầu vận hành trong thời gian dài và đáng tin cậy. Các các phần sau đây tóm tắt các giới hạn liên quan đến cáp.

a. Đối với cáp HPFF, HPGF

Đầu tiên, cách điện là laminar (băng quấn) và nó được ngâm trong chất lỏng điện môi có áp suất cao, nghĩa là nó ít khuyết tật về mặt sản xuất hơn, cường độ đánh thủng điện đồng đều hơn, sự ion hóa của các khoảng trống chứa đầy khí xảy ra trong quá trình sản xuất cũng ít hơn so với cáp ngầm cách điện rắn (ví dụ XLPE).

Các đặc tính này tương tự với cáp HPGF chứa đầy khí nitơ áp suất cao.

a.1. Nhiệt độ hoạt động tối đa

Các tiêu chuẩn ngành áp dụng cho cáp HPF chỉ định mức nhiệt độ hoạt động tối đa là 85°C khi nhiệt độ môi trường đã biết và 75°C (hoặc thấp hơn) ở nơi chưa rõ điều kiện đất đai.

AEIC CS2-90 công bố rằng cáp HPFF tự làm mát có thể hoạt động trong 300h ở 100°C hoặc 100 giờ ở 105°C với điều kiện là các điều kiện khẩn cấp về tải ít hơn 1 lần trong thời gian 12 tháng, đảm bảo mức độ lão hóa của cáp trong hơn 40 năm.

a.2. Tổn thất điện môi và giới hạn nhiệt độ

Tổn thất sinh nhiệt xảy ra khi các chất điện môi phải chịu gradient điện áp. Những tổn thất điện môi này là do sự đốt nóng xảy ra khi các phân tử phân cực liên tục được định hướng lại do độ lớn và cực của điện áp thay đổi.

Cách điện bằng giấy tẩm chất lỏng (HPFF) có tổn thất tương đối so với XLPE. Tổn hao điện môi trong lớp cách điện được định lượng bằng một tham số gọi là hệ số tiêu tán điện môi. Hệ số tiêu tán là tổn thất công suất thực do đốt nóng chất điện môi trong một chiều dài, chia cho vôn-ampe cần thiết để sạc điện dung.

Hậu quả của tổn thất điện môi là:

• tổn thất năng lượng theo thời gian;

suy giảm khả năng truyền tải điện của hệ thống do đốt nóng chất điện môi dẫn đến nhiệt độ ruột dẫn tăng lên khiến tổn thất dòng điện của ruột dẫn tăng.

a.3. Giới hạn ứng suất điện

Cáp truyền dẫn HPFF nguyên mẫu đã được thiết kế, sản xuất và đã thử nghiệm thành công (tại Cơ sở EPRI Waltz Mill) cho điện áp hệ thống lên đến 765 kV. Không có giới hạn kỹ thuật nào có thể ngăn cản thiết kế và sản xuất cáp HPFF với điện áp hệ thống cao tới 1500 kV. Nhưng thay vì thảo luận về điện áp hoạt động tối đa, hầu hết các kỹ sư cho rằng giới hạn ứng suất điện tối đa có ý nghĩa nhiều hơn.

Ứng suất điện tối đa là yếu tố mà trong hầu hết các trường hợp xác định độ dày lớp cách điện tối thiểu có thể chịu được cho một mức điện áp cụ thể.

Cáp có giấy tẩm cách điện dày 15mm, tiết diện ruột dẫn cáp 2500kcmil có ứng suất tối đa 17.6kV/mm), Ứng suất trung bình là 13.4kV/mm tại ruột dẫn và ứng suất tối thiểu 10.6kV/mm tại lớp màn chắn bên ngoài.

AEIC yêu cầu cáp HPFF, HPGF phải chịu được giới hạn xung cơ bản, xung sét như sau:

Giới hạn xung điển hình của cáp HPFF là 2200kV (~88kV/mm), của cáp HPGF là 1650kV (~ 66kV/mm).

a.4. Giới hạn cơ học

Các giới hạn cơ học đối với hệ thống cáp HPFF chủ yếu liên quan đến băng quấn cách điện của dây cáp. Các hạn chế khác về thiết kế cơ học đối với cáp HPFF là có khả năng phù hợp với bán kính uốn tối thiểu của cáp (12 đến 20 lần đường kính cáp) mà không làm nhăn và nhăn các băng liền kề.

b. Đối với cáp XLPE

XLPE được đánh giá truyền tải kém hiệu quả hơn cáp HPFF, HPGF nhưng không có nghĩa là nó có chất lượng kém.

b.1. Giới hạn thiết kế

Các giới hạn về thiết kế và truyền điện đối với hệ thống cáp cách điện rắn (điển hình là XLPE) về cơ bản giống như cáp HPFF.

Các giới hạn ứng suất điện tối đa của vật liệu cách điện và nhiệt độ hoạt động tối đa phải được giám sát. Một sự khác biệt đáng kể giữa cáp XLPE và cáp HPFF là hệ số giãn nở nhiệt cao của lớp cách điện và màn chắn cách điện. (Xem cấu tạo cáp điện)

b.2. Giới hạn ứng suất điện tối đa

Độ bền điện môi của cách điện XLPE chịu ảnh hưởng đáng kể bởi các yếu tố:

• Độ tinh khiết của vật liệu;
• Tính đồng nhất, đặc (không khoảng trống trong vật liệu);
• Độ mịn của bề mặt.

Thông số kỹ thuật của AEIC cho cáp XLPE 138 kV năm 1987 có độ dày cách điện ~22mm có ứng suất ~5.6 kV/mm. Với những cải tiến gần đây về vật liệu và sản xuất, cách điện XLPE dày 22mm cho cáp có ruột dẫn 1000kcmil có ứng suất điện cao nhất là 10 kV/mm.

b.3. Giới hạn nhiệt độ tối đa

Giới hạn nhiệt độ tối đa cho cáp XLPE được chấp nhận phổ biến là 90°C.

AEIC gần đây chỉ định mức nhiệt độ hoạt động trong điều kiện khẩn cấp là 130°C; tuy nhiên, hầu hết các nhà sản xuất không khuyến nghị ứng dụng cáp cho môi trường từ 105°C – 110°C, ngay cả trong trường hợp khẩn cấp.

b.4. Giới hạn cơ học

Độ dày tối thiểu của các thành phần sau cần cân nhắc

• Màn chắn ruột dẫn và màn chắn cách điện: Tiêu chuẩn công nghiệp yêu cầu độ dày tối thiểu đối với các lớp bán dẫn này của cáp.
• Vỏ bọc chì;
• Vỏ bọc.

b.5. Giới hạn tiết diện ruột dẫn

Một số dây chuyền sản xuất cáp truyền tải XLPE gặp khó khăn trong việc sản xuất ruột dẫn đồng có tiết diện lớn hơn 2.000 kcmil (~1.000 mm2).

Mặc dù dây chuyền đùn ép dọc cho phép tiết diện dây dẫn có thể sản xuất lên đến 2.500 mm2 nhưng chỉ đang làm tốn kém hơn khi xây dựng. Việc tăng kích thước dây dẫn không có nghĩa là tăng khả năng truyền tải điện do hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng tiệm cận.

b.6. Giới hạn đường kính tổng

Mặc dù một số nhà sản xuất Nhật Bản đã sản xuất cáp 275 kV với kích thước ruột dẫn đến 2.500mm2 (tương ứng với đường kính ruột dẫn của cáp ~120mm), hầu hết các dòng cáp XLPE hiện nay chỉ có giới hạn đường kính khoảng 100mm.

2. Giới hạn kinh tế

Cáp truyền tải điện ngầm hầu như luôn đắt hơn so với đường dây trên không, và thực tế đây là một trong những hạn chế lớn nhất khi lựa chọn phương án lắp đặt dường dây. Cáp ngầm chỉ thường được lắp đặt ở các tình huống đặc biệt như:

• Đường trên không khả thi;
• Tại trạm biến áp;
• Băng qua các hành lang đường dây trên không;
• Liên quan đến an ninh, chẳng hạn như gần đường băng sân bay;
• Mối quan tâm về môi trường cao

3. Giới hạn về điều kiện khẩn cấp

Giới hạn nhiệt độ ruột dẫn khẩn cấp do ngành thiết lập đối với cáp cách điện bằng giấy tẩm (HPGF, HPFF) và cách điện PPP cáp cách điện là 105°C trong 100h và 100°C trong 300 giờ.

Đối với cáp cách điện XLPE có giới hạn nhiệt độ khẩn cấp là 105°C trong thời gian không quá 72h mỗi lần trong 12 tháng bất kỳ và tổng cộng 1500h lũy kế trong suốt vòng đời của cáp.

Cáp ngầm có quán tính nhiệt đáng kể và hằng số thời gian nhiệt tương đối dài. Khi một sợi cáp chịu tải trọng tăng một bước và dẫn đến tổn thất, nhiệt độ ruột dẫn sẽ tăng từ từ cho đến khi đạt được nhiệt độ ở trạng thái ổn định mới. Do đó, cáp ngầm thường có khả năng mang dòng điện cao trong thời gian ngắn và khả năng này có thể được khai thác trong các trường khẩn cấp.

4. Giới hạn về lắp đặt

Mỗi đơn vị chiều dài của đường dây cáp ngầm phải được đánh giá trong quá trình thiết kế, và phải được đào  trong quá trình lắp đặt. Các tác động về thời gian và chi phí của việc này là một hạn chế lớn đối với ứng dụng của cáp truyền tải. Các giới hạn trong quá trình lắp đặt có thể bao gồm:

• Sự cho phép và chấp thuận có thẩm quyền;
• Giới hạn độ dài từng đoạn;
• Giới hạn rãnh;
• Giới hạn nhà thầu, cuộn và tời, thời tiết;
• Giới hạn thiết bị: Thiết bị đầu cuối, hộp nối;
• Tái định cư.

5. Giới hạn về môi trường

Tác động môi trường của cả đường dây tải điện trên không và đường dây ngầm thường xuyên là một vấn đề chính trong việc xin giấy phép thi công. Các phần sau đây tóm tắt các vấn đề môi trường hiện tại đang là trở ngại hoặc hạn chế trong việc xin giấy phép xây dựng các đường dây cáp ngầm:

• Xáo trộn môi trường trong quá trình thi công lắp đặt;
• Trường từ tính trên mặt đất;
• Gia tăng nhiệt độ đất;
• Rò rỉ chất lỏng cách điện;
• Nguy cơ ô nhiễm vỏ bọc chì.