Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống cáp ngầm 220 KV vượt kênh đình vũ

Tính toán ảnh hưởng của từ trường tới cáp ngầm 220kV C hương 4: TÍNH TOÁN, KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU NGẮN MẠCH CỦA CÁP, TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP VỎ TRONG HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VỎ, THIẾT KẾ LỰA...

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VỀ SỰ RA ĐỜI CỦA ĐỀ TÀI

VÀ KHÁI QUÁT CHUNG HỆ THỐNG CÁP NGẦM CAO

C hương 2: LỰA CHỌN CẤP ĐIỆN ÁP, DÒNG ĐIỆN TẢI

VÀ TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN TIẾT DIỆN CÁP CHO HỆ

THỐNG CÁP NGẦM CAO ÁP VƯỢT KÊNH ĐÌNH VŨ

11

2.1 Lựa chọn cấp điện áp, tính toán dòng điện tải cho cáp

ngầm vượt kênh Đình Vũ

2.2 Các đặc điểm chính của công trình

2.3 Lựa chọn chủng loại cáp, loại cách điện

2.4 Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm cao áp với cách điện XLPE

2.5 Kỹ thuật đặt cáp và chôn cáp, so sánh các phương án và

lựa chọn phương thức đặt cáp cho cáp ngầm 220kV vượt kênh

TRƯỜNG, TỪ TRƯỜNG CAO ÁP TỚI CÁP NGẦM VÀ

ÁP DỤNG CỤ THỂ ĐỂ TÍNH TOÁN CHỌN THÔNG SỐ

CÁP CHO HỆ THỐNG CÁP NGẦM 220KV VƯỢT

KÊNH ĐÌNH VŨ

56

3.1 Khái niệm về điện trường

3.2 Điện dung của cáp một lõi

3.3 Tổn thất điện môi

3.4 Điện áp đánh thủng cách điện

3.5 Điện trường trong cáp điện [19]

3.6 Áp dụng các nghiên cứu về điện trường để tính toán chọn

thông số cho cáp ngầm 220kV vượt kênh Đình Vũ

3.7 Tính toán ảnh hưởng của từ trường tới cáp ngầm 220kV

C hương 4: TÍNH TOÁN, KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU

NGẮN MẠCH CỦA CÁP, TÍNH TOÁN QUÁ ĐIỆN ÁP

VỎ TRONG HỆ THỐNG NỐI ĐẤT VỎ, THIẾT KẾ LỰA

4.5 Thiết bị giới hạn điện áp vỏ

4.6 Thiết kế và lựa chọn thiết bị hạn chế điện áp vỏ

4.7 Các yêu cầu kỹ thuật về cáp và phụ kiện của cáp ngầm

5.1 Kiểm tra nhiệt độ cáp ngầm bằng sợi quang

5.2 Sử dụng giải pháp Quang học sợi cho việc giám sát nhiệt

6.2 Công việc thi công tuần tự theo các bước sau :

6.3 Thu dọn hiện trường, nghiệm thu, bàn giao

147

150

153

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Đình Thắng thầy giáo đã từng hướng dẫn đồ án tốt nghiệp Đại học cho tôi, đã gợi mở và dẫn dắt tận tình cho tôi trong khi làm luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ này, do hiện nay tài liệu

về vấn đề cáp ngầm cao áp có rất nhiều nhưng cũng lại rất thiếu, nếu không được thầy chỉ dẫn tận tình tôi khó có thể hoàn thành bản luận văn này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các đồng nghiệp ở Tập đoàn Điện lực

Việt Nam, Viện Năng Lượng và các bạn trong lớp Cao học KTĐ 2005-2007

đã giúp tôi hoàn thành bản luận văn này

Do kiến thức còn hạn chế nên bản luận văn khó có thể tránh khỏi những sai sót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống Điện và những người quan tâm Tôi xin cảm ơn

CH ƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VỀ SỰ RA ĐỜI CỦA ĐỀ TÀI

VÀ KHÁI QUÁT CHUNG HỆ THỐNG CÁP NGẦM CAO ÁP

1.1 Đặt vấn đề:

Thành phố Hải Phòng là một thành phố cảng biển lớn nhất miền Bắc, là

một đầu mối quan trọng cả về vị trí lẫn tiềm năng kinh tế trong tam giác phát

triển kinh tế Hà Nội - Hải Phòng - Quảng Ninh ở miền Bắc Trong khoảng từ

năm 1995 trở lại đây, kinh tế Hải Phòng phát triển mạnh mẽ Nhiều công trình

công nghiệp, giao thông, dịch vụ đã và đang đi vào hoạt động như, khu công

nghiệp thép Cửu Long, thép Đình Vũ, khu công nghiệp Quán Toan với bốn

nhà máy cán thép, nhà máy Xi măng Ching Fong, khu công nghiệp Nomura,

các nhà máy công nghiệp nhẹ trên trục đường Hải Phòng - Đồ Sơn, nhiều khu

công nghiệp khác cũng đang trong giai đoạn quy hoạch, xây dựng như khu

công nghiệp Hạ Đoạn, Bến Rừng, thép Vạn Lợi, thép Việt Ý, Tràng Duệ… dự

án mở rộng cảng Hải Phòng, về giao thông có các dự án mở rộng và nâng cấp

đường 5 mới, quốc lộ 10 nối Hải Phòng - Quảng Ninh - Thái Bình - Nam

Định - Ninh Bình … Đặc biệt là dự án khu kinh tế trên đảo Đình Vũ đang

khẩn trương hoàn thiện

Đảo Đình Vũ nằm ở phía Đông Nam thành phố Hải Phòng có diện tích

gần 20km2, nằm kẹp giữa 2 cửa sông đổ ra biển là cửa Nam Triệu và Cửa

Cấm Đảo Đình Vũ có mặt bằng và vị trí thuận lợi cho phát triển cầu cảng và

phát triển công nghiệp trên Đảo Vì thế dự án khu kinh tế Đình Vũ được dự

kiến xây dựng và phát triển trong vòng 15 - 20 năm để trở thành một khu kinh

tế lớn với quy mô xây dựng rộng tới 1152 ha (vào năm 2020), với hàng chục

khu công nghiệp, thương mại, dịch vụ, du lịch, nhà ở và khách sạn, công viên

cây xanh, mạng lưới đường ô tô kết hợp hài hoà với hệ thống đường sắt, hệ

thống thông tin viễn thông, hệ thống cấp thoát nước, hệ thống điện lực và đặc

triển trên, theo dự báo nhu cầu điện của đảo Đình Vũ trong giai đoạn I

(2000-2004) tương ứng với diện tích sử dụng 164ha là 32MW Dự kiến các giai

đoạn tiếp theo đến 2020 tương ứng với diện tích sử dụng 1152 ha là 425MW

Để đáp ứng nhu cầu điện của Thành phố Hải Phòng , các nhà máy nhiệt

điện Hải Phòng I và nhà máy nhiệt điện Hải Phòng II với quy mô công suất

mỗi nhà máy là 600MVA ra đời là sự tất yếu của nguyên tắc “Điện đi trước

một bước” Để đấu nối các nhà máy điện vào Hệ thống Điện Quốc gia, theo

Tổng sơ đồ V (Quy hoạch phát triển điện lực Việt Nam giai đoạn 2001 - 2010

có xét triển vọng đến năm 2020 gọi tắt là Quy hoạch điện V hay Tổng sơ đồ

V) cũng như theo các phương án đấu nối đã được các cơ quan, ban ngành đưa

ra và thống nhất tại Tổng sơ đồ VI (Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia

giai đoạn 2006 - 2015 có xét đến năm 2025 gọi tắt là Quy hoạch điện VI hay

Tổng sơ đồ VI) sẽ truyền tải toàn bộ công suất của hai nhà máy này qua hai

đường dây 220kV mạch kép từ NMNĐ Hải Phòng đi Đình Vũ (Đường dây

220kV NMNĐ Hải Phòng - Đình Vũ) và từ NMNĐ Hải Phòng đi Vật Cách

(Đường dây 220kV NMNĐ Hải Phòng - Vật Cách) đồng thời bổ sung nguồn

cung cấp cho một số trạm 110kV quanh khu vực nhà máy

Trong đó Đường dây 220kV NMNĐ Hải Phòng - Đình Vũ có các

nhiệm vụ chính như sau:

1 Truyền tải điện năng trực tiếp từ nhà máy nhiệt điện Hải Phòng đến

trạm 220kV Đình Vũ để đáp ứng nhu cầu điện cho khu kinh tế Đình Vũ

2 Là đường dây 220kV thứ hai truyền tải công suất của NMNĐ Hải

Phòng vào Hệ thống Điện Quốc Gia

Tuy nhiên đường dây 220kV NMNĐ Hải Phòng - Đình Vũ có điểm đầu

là NMNĐ Hải Phòng và điểm cuối là trạm 220kV Đình Vũ có tổng chiều dài

tuyến 15km, đi qua địa bàn huyện Thuỷ Nguyên, Quận Hải An Thành phố

Hải Phòng, đường dây đi từ bờ Bắc sông Cấm sang đảo Đình Vũ bắt buộc

phải vượt kênh Đình Vũ, là kênh cửa ngõ vào cảng Hải Phòng và là đường

duy nhất cho tàu thuyền đi từ cửa Nam Triệu vào các cảng của T.P Hải

Phòng

Trong quá trình làm việc với Thành phố Hải Phòng, để phù hợp với

quy hoạch chung tổng thể của thành phố, UBND thành phố Hải Phòng đã

thống nhất khoảng vượt của đường dây 220kV NMNĐ Hải Phòng - Đình Vũ

qua kênh Đình Vũ gần với ngã ba sông Cấm đổ ra sông Bạch Đằng Theo yêu

cầu của Cục hàng hải Việt Nam (tại văn bản số 1226/CHHVN-BCB ngày

04/09/2002), chiều cao tĩnh không tàu thuyền tối đa trên đoạn từ cửa Nam

Triệu qua kênh Đình Vũ đến cảng Hải Phòng là 55m Do đó chiều cao dây

dẫn thấp nhất (có kể đến 3 mét an toàn điện) cho đoạn ĐDK đi qua đoạn sông

này là 58m Theo tính toán cột vượt sông tối thiểu phải có độ cao trên 60m

Mặt khác theo yêu cầu của Quân chủng Phòng không - Không quân (văn bản

số 414/CV-BTM ngày 20/9/1999), chiều cao cột vượt kênh Đình Vũ nằm

trong phạm vi tĩnh không sườn sân bay Cát Bi (5000m) không được phép cao

quá 50m

Với hai số liệu khống chế trên, việc sử dụng đường dây nổi để vượt qua

kênh Đình Vũ là hoàn toàn không khả thi Do đó giải pháp duy nhất là sử

dụng cáp ngầm 220kV Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, nhiệm vụ luận văn tốt

nghiệp này đi sâu nghiên cứu các vấn đề cụ thể như sau:

• Tính toán trào lưu công suất trong hệ thống, lựa chọn cấp điện áp truyền

tải, tính toán dòng tải và thiết kế lựa chọn chủng loại cáp

• Tính toán ảnh hưởng của điện trường, từ trường cao áp của cáp ngầm và

áp dụng cho việc tính chọn các thông số cho cáp ngầm cao áp vượt kênh

Đình Vũ Các yêu cầu kỹ thuật chi tiết cho hệ thống cáp ngầm

• Các giải pháp bảo vệ cáp ngầm

• Biện pháp thi công thi công hệ thống cáp ngầm

1.2 Khái quát ch ung về hệ thống cáp ngầm cao áp:

Hệ thống truyền tải điện bằng cáp ngầm đã có một lịch sử phát triển rất

lâu trên thế giới, từ những năm 1811 người ta đã sử dụng cáp đồng bọc cao su

tự nhiên đi ngầm dưới biển để sử dụng cho mục đích truyền tải thông tin, tuy

nhiên phải đến năm 1879, Borel một nhà khoa học người Pháp mới phát minh

ra cách điện bằng sợi đay tẩm paraffin, nó được sử dụng để sản xuất ra cáp

ngầm điện lực một lõi có cấp điện áp 3kV một chiều đầu tiên trên thế giới và

đã được ra lắp đặt tại Pari vào năm 1890, tiếp theo thành quả trên người ta lần

lượt phát minh ra các loại cách điện khác như cách điện giấy tẩm dầu, khí

nén, dầu cách điện, khí SF6, ERP, XLPE, … và cấp điện áp cũng tăng dần từ

3kV một chiều đến 10kV xoay chiều (1890-Anh), 60kV xoay chiều

(1911-Đức), 138kV xoay chiều (1917)… Cùng với sự phát triển không ngừng của

các ngành khoa học khác, ngành công nghiệp cáp ngầm cũng có những tiến

bộ vượt bậc, ngày nay người ta đã sản xuất được cáp ngầm có cấp điện áp đến

500kV và cao hơn

Ở nước ta, trong vòng từ 10 năm trở lại đây cáp ngầm trung áp (có

điện áp từ 35 kV trở xuống) đã được sử dụng rộng rãi trong lưới điện phân

phối với tổng chiều dài lên tới hàng chục nghìn ki lô mét Đặc biệt là cáp

ngầm 22 kV được lắp đặt tại các thành phố lớn trở nên phổ biến Tuy nhiên

việc ứng dụng hệ thống cáp ngầm cho hệ thống đường dây truyền tải cao áp

vẫn còn mới mẻ, và chưa được nghiên cứu một cách có hệ thống

Đồng hành với sự phát triển của ngành điện lực là sự phát triển của đất

nước, ngày càng có nhiều vùng đô thị đông dân cư, với các nhu cầu về điện

năng, nhu cầu về một đô thị hiện đại, các yêu cầu thiết yếu được các nhà

hoạch định chiến lược đặt ra với các công trình điện như giảm quỹ đất xây

dựng tại trung tâm các thành phố lớn, tăng tính thẩm mỹ (ví dụ xung quanh

các công trình quan trọng quốc gia như gần Trung tâm Hội nghị Quốc gia,

gần nhà Quốc hội, gần Lăng Chủ tịch, gần các công trình quan trọng khác…)

đặc biệt gần đây để đáp ứng nhu cầu về sự gia tăng phụ tải, một số trạm biến

áp trung gian cùng với đường cáp ngầm truyền dẫn công suất với cấp điện áp

cao từ 110kV, 220kV đang được khẩn trương xây dựng trong lòng các thành

phố (tại Hà Nội có các trạm GIS 110kV Mỹ Đình, cáp ngầm 110kV Thành

Công - Phương Liệt, cáp ngầm 110kV Nam Chương Dương từ Cột 84 đến cột

85 lộ 175,176 E1.6 Chèm đi 172,171 E1.3 Mai Động, cáp ngầm 220kV Hà

Đông - Thành Công, trạm GIS 220kV Thành Công, tại Thành phố Hồ Chí

Minh có đường cáp ngầm 220 kV Nhà Bè - Tao Đàn, trạm GIS 220kV Tao

Đàn…) Công ty Điện lực 2 (PC2) cũng đang chuẩn bị đầu tư một đường cáp

ngầm cao áp vượt biển từ Rạch Giá ra đảo Phú Quốc với chiều dài khoảng

trên năm mươi cây số để cấp cho các phụ tải ngày càng gia tăng tại hòn đảo

có nhiều tiềm năng này (hiện tại PC2 hàng năm phải bù lỗ cho các máy phát

diesel chạy dầu DO và HFO đã vượt quá gần 50 tỉ/năm và mỗi năm con số

này lại gia tăng thêm đáng kể)

Lâu nay đối với ngành Điện Việt Nam các dự án cáp ngầm từ 110kV

trở lên hầu hết đều do các nhà thầu nước ngoài thực hiện từ khâu thiết kế kỹ

thuật, thiết kế chi tiết, lập hồ sơ thầu đến giám sát, thi công, ví dụ đường cáp

lực cao áp khoảng 500m cáp 220 kV cách điện bằng dầu áp lực từ đầu cực các

máy phát của NMTĐ Hòa Bình lên sân phân phối 220 kV đã đưa vào vận

hành từ năm 1990 do Liên Xô cũ sản xuất, thiết kế và giám sát, chỉ đạo thi

công, dự án đường cáp ngầm 220 kV Nhà Bè - Tao Đàn, trạm GIS 220kV Tao

Đàn do nhà thầu ABB-Thụy Điển thực hiện theo hình thức hợp đồng chìa

khóa trao tay (mọi công việc liên quan đến việc lập Thiết kế kỹ thuật, thiết kế

chi tiết, lập hồ sơ mời thầu, giám sát thi công đều do tư vấn Fichtner-Đức đảm

nhiệm), cáp ngầm 110kV Thành Công - Phương Liệt, cáp ngầm 110kV Nam

Chương Dương từ Cột 84 đến cột 85 lộ 175,176 E1.6 Chèm đi 172,171 E1.3

Mai Động do nhà thầu ABB-Thụy Điển thực hiện theo hình thức hợp đồng

chìa khóa trao tay, cáp ngầm 220kV Hà Đông - Thành Công do Công ty Tư

vấn Xây dựng Điện 1 thiết kế nhưng thuê thầu phụ là tư vấn Fichtner-Đức …

Để chủ động trong công tác lập thiết kế kỹ thuật, hồ sơ mời thầu và bản

vẽ thi công, giám sát lắp đặt cho các dự án cáp ngầm chuẩn bị triển khai tới

đây, việc nghiên cứu, thiết kế các hệ thống cáp ngầm cao áp trở nên rất quan

trọng Nó góp phần không nhỏ trong việc giảm giá thành dự án, nội địa hóa

các thành phần công việc trong một dự án điện là một trong các dự án mà lâu

nay tỷ lệ ngoại nhập vẫn còn rất cao

1.3 Mục đích của đề tài

Việc thiết kế một hệ thống cáp ngầm cao áp ở nước ta đến nay vẫn còn

là một vấn đề mới mẻ và phụ thuộc rất nhiều vào tư vấn nước ngoài đặc biệt

đối với các các kỹ sư thiết kế, thi công ở nhiều nơi vẫn chưa hiểu bản chất của

sự việc một cách có hệ thống, nên rất khó khăn trong công tác thiết kế, thẩm

định, phê duyệt và thi công các dự án cáp ngầm cao áp

Nhằm góp phần vào việc làm rõ bản chất của công tác thiết kế một hệ

thống cáp ngầm, bản luận văn này đã nêu lên những bước cơ bản trong việc

thiết kế lựa chọn một hệ thống cáp nói chung và áp dụng trực tiếp cho hệ

thống cáp ngầm 220kV vượt kênh Đình Vũ, dự án này hiện nay đang trong

giai đoạn mời thầu trọn gói (cung cấp và lắp đặt)

1.4 Nguyên tắc chung của công tác tính toán, thiết kế hệ thống cáp

Đối với một hệ thống cáp ngầm cao áp nói chung, để có cơ sở tinh toán,

thiết kế, lựa chọn cáp hợp lý cần tuân theo các bước sau đây:

1.4 1 Cấu trúc cáp:

+ Vật liệu cho cách điện của cáp (PVC, giấy tẩm dầu, dầu cách điện,

ERP, XLPE )

+ Số lượng lõi (đơn pha hay nhiều pha)

+ Tiết diện của dây dẫn qn

+ Vật liệu dây dẫn (đồng, nhôm, )

1.4 2 Điện áp:

+ Điện áp danh định của lưới Uđm

+ Điện áp làm việc lớn nhất

+ Tần số của hệ thống

+ Loại dòng điện (3 pha, 1 pha, hay một chiều)

+ Điện áp chịu đựng xung sét định mức UBIL

1.4 3 Điều kiện nối đất, xử lý của điểm đấu hình sao

+ Điểm đấu sao cách điện hoặc đấu đất qua cuộn dập hồ quang

+ Nối đất qua trở kháng

+ Nối đất trực tiếp

1.4.4 Các điều kiện làm việc

+ Hệ số phụ tải m, dao động của phụ tải ngày (trong HT truyền tải

điện vào khoảng 0,7-0,8, trong lưới điện công nghiệp từ 0,7-1,0

Nếu làm việc ngắt quãng thì phải có biểu đồ phụ tải)

+ Công suất truyền tải (tải cực đại)

+ Độ tin cậy của đường dây cần truyền tải ( sự cần thiết phải xây dựng

2 đường cáp chạy song song, )

2.1.5 Điều kiện lắp đặt

+ Chiều dài của đường cáp cần đặt trong đất, trong ống chôn dưới đất,

trong không khí, trong ống hoặc trong tunnel

+ Lắp đặt trong đất: chiều sâu chôn cáp, lát bê tông, lát nhựa hoặc đặt

trong máng có hoặc không có cát, kích thước của máng với các bản

vẽ

+ Bố trí của cáp đơn pha được đặt thành bó hoặc đặt bên cạnh nhau,

các bản vẽ kích thước khi bố trí nhiều mạch cáp

+ Lắp đặt trong ống chôn dưới đất, chiều sâu của ống h

+ Vật liệu ống PVC, PE, HDPE, ống thép, bê tông hoặc đất nung,

đường kính và chiều dày của ống

1.4 6 Cách bố trí cáp

+ Lắp đặt trong không khí (có nghĩa là đặt trong nhà với những

khoảng không gian đủ rộng để nhiệt độ không khí không tăng do

phát nhiệt của cáp) Lắp đặt trên sàn nhà, treo trên tường, trong các

ống mở hoặc trên các giá đỡ, bản vẽ kích thước của các mạch cáp

+ Lắp đặt cáp trong các mương cáp, đường ống tunnel: Nhiệt độ của

không khí trong mương cáp sẽ tăng do phát nhiệt của cáp

+ Các số liệu của mương cáp: chiều rộng bên trong, chiều cao bên

trong, nắp đậy, các bản vẽ kích thước

+ Nếu sử dụng thông gió cưỡng bức thì cần các thông số: nhiệt độ

không khí bên ngoài để tính toán lượng khí cần làm mát, nhiệt độ

của không khí đi vào ống

1.4 7 Điều kiện môi trường

+ Chôn cáp dưới đất: nhiệt độ của đất, điện trở suất của đất cho vùng

ẩm và vùng khô

+ Đặt cáp trong không khí: nhiệt độ của không khí

1.4 8 Ảnh hưởng của các nguồn nhiệt bên ngoài

+ Nhiệt do mặt trời chiếu trực tiếp cần phải xem xét (nếu không có các

biện pháp bảo vệ khỏi ảnh hưởng của mặt trời)

+ Nhiệt do các vùng nhiệt trong ống khi chôn cáp dưới đất

+ Nhiệt do các mạch cáp khác đặt song song hoặc giao chéo: cần có số

liệu về tiết diện và dòng điện tải ở điện áp định mức; khoảng cách

và chiều sâu lắp đặt với bản vẽ kích thước

1.4 9 Khả năng tải trong trường hợp ngắn mạch (sự đột biến về nhiệt và

cơ)

+ Tính toán sử dụng các thông số từ việc tính toán lưới

- Sử lý điểm đấu sao đưa ra các giá trị dòng ngắn mạch (1, 2 , 3 pha)

- Dòng ngắn mạch đối xứng ban đầu

- Dòng ngắn mạch đỉnh

- Dòng ngắn mạch liên tục

+ Tính toán các giá trị từ thiết bị bảo vệ

- Xử lý điểm đấu sao, đưa ra các giá trị dòng ngắn mạch (1, 2 , 3 pha)

- Dung lượng cắt

- Thời gian ngắn mạch

1.4.10 Sụt áp

+ Tần số hệ thống

+ Công suất truyền tải hoặc dòng điện tải

+ Hệ số công suất cos ϕ

+ Chiều dài của cáp

+ Độ sụt áp cho phép: ∆ U

1.4.11 Tính toán về tính kinh tế

+ Công suất truyền tải, chiều dài cáp

+ Thời gian thu hồi vốn

+ Lãi suất hàng năm

+ Các chi phí bảo dưỡng và sửa chữa

+ Giá điện

+ Thời gian sử dụng của tổn hao công suất

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN CẤP ĐIỆN ÁP, DÒNG ĐIỆN TẢI VÀ TÍNH

TOÁN, L ỰA CHỌN TIẾT DIỆN CÁP CHO HỆ THỐNG CÁP NGẦM

CAO ÁP V ƯỢT KÊNH ĐÌNH VŨ 2.1 L ựa chọn cấp điện áp, tính toán dòng điện tải cho cáp ngầm vượt

kênh Đình Vũ

2.1.1 Tính toán hệ thống, lựa chọn cấp điện áp truyền tải

Với nhiệm vụ cung cấp điện cho trạm biến áp 220kV Đình Vũ, truyền tải

điện năng của các nhà máy nhiệt điện Hải Phòng I, II vào Hệ thống Điện

Theo Tổng sơ đồ Điện các giai đoạn V, VI (Quy hoạch phát triển điện lực

Việt Nam giai đoạn 2001 - 2010 có xét triển vọng đến năm 2020 và Quy

hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2006 - 2015 có xét đến năm

2025) và để đảm bảo độ tin cậy, an toàn trong cung cấp điện cũng như an toàn

trong công tác vận hành sau này, đường dây sẽ có quy mô hai mạch Theo

tính toán phân bố công suất trong hệ thống điện khu vực Đông Bắc, khu vực

Hải Phòng bằng chương trình mô phỏng Hệ thống Điện PSS/E như bảng số

liệu tại phụ lục I kèm theo Công suất truyền tải cực đại của đường dây này có

thể lên tới 700MVA vào năm 2015 - 2020 Trong chế độ bình thường công

suất chạy trên một mạch của đường dây khoảng 300MW Để lựa chọn cấp

điện áp tải tối ưu cho đường dây ta áp dụng công thức kinh nghiệm của Mỹ

(công thức Still) [1] để tính toán Uop như sau :

Uop = 4,34 L+16P

Trong đó:

L là chiều dài đường dây (km)

P là công suất tải (MW)

Đường dây 220kV NMNĐ Hải Phòng - Đình Vũ có chiều dài khoảng

15km, và công suất tải mỗi mạch trong chế độ bình thường khoảng 300MW

Ta có: Uop = 4,34 15+16.300 = 301 kV

Với Uop tính toán được như trên ta có thể lựa chọn cấp điện áp tải cho

đường dây là 220kV phù hợp với các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và Tổng sơ đồ

VI đã được phê duyệt

2.1 2 Tính dòng tải tối đa cho cáp ngầm vượt kênh Đình Vũ

Dòng tải tối đa của cáp là dòng mà cáp phải mang khi điều kiện truyền

tải công suất nặng nề nhất, ở đây ta xét các trường hợp (kết quả tính các

trường hợp được thể hiện trong phụ lục I) tuy nhiên trong chế độ sự cố 1

mạch đường dây 220kV NMNĐ Hải Phòng - Đình Vũ khi nhà máy nhiệt điện

Hải Phòng II đấu vào lưới qua cấp điện áp 220kV, 110kV vào năm 2020,

công suất cưỡng bức chạy trên mạch còn lại là lớn nhất khoảng gần 500MVA,

trong các chế độ khác mỗi mạch đường dây này đều tải dưới 500MVA, ta có

thể tính toán dòng tải tối đa cho cáp là:

2203

500

x xU

S

A

Do vậy ta có thể kết luận để cáp có thể vận hành tốt trong mọi điều kiện

ta chọn dòng điện tải tối đa cho một mạch là 1313A

2.2 Các đặc điểm chính của công trình

Các đặc điểm chính của công trình “Cáp ngầm 220kV vượt kênh Đình

Vũ” như sau :

- Cấp điện áp: 220kV

- Số mạch: 2 mạch

- Vị trí tuyến cáp: Tuyến cáp ngầm 220kV nằm ở gần cửa kênh Đình

Vũ (Sông Cấm) tại khu công nghiệp Đình Vũ - Thành phố Hải Phòng Phần

địa hình dưới nước tiếp giáp với khu nước phía thượng lưu của Công ty 189 -

Bộ quốc phòng Phần địa hình trên cạn gồm phía phải và phía trái của kênh

Đình Vũ, tại bờ phải kênh Đình Vũ phía thượng lưu giáp với khu đất của Bộ

đội Biên phòng, phía hạ lưu giáp với khu đất của Công ty 189 - Bộ Quốc

phòng, bờ phía trái kênh Đình Vũ là các đầm nuôi thuỷ hải sản Nhìn chung

địa hình trên bờ chủ yếu là các đầm nuôi thuỷ hải sản, phần mép nước là các

cây sú vẹt…

Theo số liệu khảo sát khu vực tuyến cáp ngầm 220KV bao gồm 2 phần:

+ Phần dưới nước: Chiều rộng lòng kênh tại đoạn khảo sát là 330m

theo hướng tuyến cáp

+ Phần trên cạn: bao gồm hai phần

Phần từ bờ sông phía bên phải kênh Đình Vũ đến giáp khu đất của

Công ty 189 - Bộ Quốc Phòng Khoảng cách từ bờ kênh đến điểm đặt cột đấu

cáp (đặt cạnh khu đất) là 150m

Phần phía bờ sông bên trái kênh Đình Vũ : khoảng cách từ bờ kênh đến

điểm đặt cột đấu cáp là 30m

- Yêu cầu về cao độ đặt cáp, bao gồm các yếu tố sau :

Theo các số liệu của Cục Hàng hải Việt Nam, đoạn kênh Đình Vũ nơi

có tuyến cáp 220kV đi qua có cao độ đáy luồng: đến giai đoạn nạo vét hoàn

thiện (từ 2005 đến 2009) luồng tàu biển qua kênh Đình Vũ có độ sâu đến

- 7.0m Do vậy đã thống nhất cao độ đặt cáp như sau:

o Cao độ đáy luồng hoàn thiện giai đoạn 2005-2009: - 7,5 đến - 8,0m

o Độ sâu về sai số nạo vét do thiết bị nạo vét: 0,5m

o Độ sâu dự phòng do xói lở : 1,5m

o Khoảng cách an toàn : 2,0m

Cộng cao độ đặt cáp : - 11,5m đến -12m

- Khả năng tải: 500MVA (cho 1 mạch)

- Điểm đầu: cột số 36 đường dây 220kV NMNĐ Hải Phòng - Đình Vũ

- Điểm cuối: cột số 37 đường dây 220kV NMNĐ Hải Phòng - Đình Vũ

- Là một công trình thuộc dự án tổng thể Đường dây 220kV NMNĐ Hải

Phòng - Đình Vũ, dự án tổng thể có tổng chiều dài 15km, trong đó đoạn đầu

và đoạn cuối là đường dây trên không

- Điều kiện tự nhiên:

Điện trở suất: Qua khảo sát điện trở suất đo được tại các điểm hai bên

bờ kênh Đình Vũ thay đổi từ 80 Ωm đến 100 Ωm (ở độ sâu 0,8m đến 2m là

90 ÷ 100 Ωm và ở độ sâu từ 2m đến 2,5m là 80 ÷ 90 Ωm)

Điều kiện địa chất công trình:

Khu vực khảo sát là một vùng sông ven biển, được thành tạo do lắng

đọng trầm tích có nguồn gốc sông biển, Nhìn chung đây là một vùng đất yếu,

cụ thể :

Lớp đất 1, 2, 4, 5 là các lớp đất yếu khả năng chịu tải thấp Lớp 3 là lớp

đất tương đối tốt nhưng chiều dày không lớn

Nhiệt độ, độ nhiễm bẩn và các điều kiện khác:

Công trình nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ven biển Bắc Bộ Nhiệt độ

trung bình 230C-23.60C Nhiệt độ lớn nhất : 41.50C, nhiệt độ thấp nhất: 4.50C

Công trình nằm tại cửa sông Cấm vào cảng Hải Phòng khá gần biển, có độ

nhiễm mặn cao

2.3 Lựa chọn chủng loại cáp, loại cách điện

Từ khi bắt đầu xuất hiện cáp ngầm điện lực do Borel phát minh ra vào

năm 1879 là cáp có cách điện bằng sợi đay tẩm Parafin, đến nay đã có rất

nhiều loại cách điện được đưa vào sử dụng như giấy tẩm dầu, dầu cách điện,

Tuy nhiện hiện nay trên thế giới đang sử dụng phổ biến hai loại cáp

thông dụng cho các đường tải điện cao áp là cáp dầu và cáp khô dùng cách

điện Polyethylene lưu hóa khô có các mối liên kết phân tử theo chiều ngang

(XLPE) Đối với cấp điện áp 110, 220 kV đa số sử dụng cáp XLPE vì những

lý do sau đây :

Chi phí đầu tư của 2 loại cáp bao gồm đầu tư ban đầu, chi phí vận hành

và bảo trì Chi phí đầu tư cho các thiết bị thứ cấp của cáp dầu đắt tiền hơn so

với cáp XLPE

Cáp dầu đòi hỏi một số điều kiện phức tạp hơn so với cáp XLPE, như:

• Việc giám sát và chuyển tín hiệu phức tạp

• Đòi hỏi có bể dầu với kết cấu ngầm

• Thiết bị bù dầu

• Thiết bị nối phức tạp

Cáp XLPE có các ưu điểm hơn so với cáp dầu như sau [10]:

• Dung kháng cáp XLPE thấp nên dòng điện nạp cũng thấp hơn

• Khả năng mang tải cao hơn

• Tổn thất thấp hơn

• Tác động đến môi trường ít hơn

• Cách điện XLPE không phải cách điện lỏng nên giá thành bảo trì bảo

dưỡng thấp hơn

• Cách điện XLPE rất thích hợp trong các chế độ phục hồi sau quá độ, cáp

dầu hay xảy ra hiện tượng giảm áp lực dầu khi xảy ra dao động trên lưới

Cách điện XLPE là cách điện mà có khả năng chịu nhiệt độ cao, khả

năng chịu dòng ngắn mạch lớn và có tổn thất điện môi bé nhất trong tất cả các

loại cách điện đang sử dụng hiện nay Tổng cộng tất cả các chi phí liên quan,

chi phí thực hiện bằng cáp dầu sẽ lớn hơn cáp XLPE

Bảng so sánh chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật giữa cáp dầu và cáp XLPE

6 Thiết bị phụ trợ

ít

Bể dầu áp lực, hộp nối dầu, giám sát tín hiệu dầu

7 Bù điện dung

tư cao hơn

8 Ảnh hưởng đến môi trường không ô nhiễm ô nhiểm do dầu

9 Độ dài lớn nhất của cuộn cáp

12 Thời gian sửa chữa 3 - 4 tuần khoảng 6 tuần

14 Chi phí vận hành (kể cả bảo

dưỡng và tổn thất) Chấp nhận được Cao hơn

Kết luận: Chọn cáp cách điện bằng XLPE cho dự án cáp ngầm 220kV

2.4 Cấu tạo cơ bản của cáp ngầm cao áp với cách điện XLPE

2.4.1 Cấu trúc cơ bản của cáp

Cấu trúc điển hình của cáp XLPE bao gồm những lớp được mô tả theo

thứ tự từ trong ra ngoài như sau:

STT Tên gọi Công dụng Ghi chú

1 Lõi cáp Dẫn điện - Với tiết diện dưới 800 mm2 lõi gồm các sợi

đồng nhỏ, bện xoắn tròn

- Với tiết diện từ 800 mm2 trở lên lõi gồm nhiều múi, thường là 4 hoặc 5, 6 mỗi múi gồm các sợi đồng nhỏ bện xoắn lại

- Phần khe hở giữa các múi được lấp đầy bằng vật liệu chống thấm nước theo chiều dọc cáp

- Tiêu chuẩn áp dụng cho lõi cáp: IEC

60228, độ tinh khiết của đồng là 99.99%

2 Lớp bán

dẫn

Chống phóng điện cục bộ

- Vật liệu của lớp này là Polyethylene bán dẫn, có tác dụng làm giảm khả năng gây phóng điện cục bộ do bề mặt lồi lóm của cáp (tạo thành bới các sợi đồng nhỏ)

- Được ép đùn cùng lúc với lớp cách điện (3)

- Croos-linked Polyethylene (XLPE) là loại vật liệu cách điện có nhiều ưu điểm nổi bật

- Chế tạo bằng công nghệ ép đùn

4 Lớp bán

dẫn

Chống I-on hoá bề mặt cách điện

- Vật liệu của lớp này là compound bán dẫn,

có tác dụng làm giảm khả năng gây ion hoá

bề mặt lớp cách điện

- Được ép đùn cùng lúc với lớp cách điện (3)

và lớp bán dẫn (2)

- Đôi khi có thể thêm một lớp băng quấn cùng tính chất

Chế tạo từ vật liệu trưng nở và bão hoà nước

khi gặp nước thấm vào ngăn được nước thấm dọc theo cáp

cố ngắn mạch xảy

Chế tạo từ vật liệu trưng nở và bão hoà nước khi gặp nước thấm vào ngăn được nước thấm vào cáp

8 Vỏ kim

loại

Bảo vệ cơ học cho cáp

Vỏ kim loại cáp là loại băng nhôm, nhôm gợn sóng hoặc chì

9 Vỏ

ngoài

Bảo vệ chung

- Làm bằng PVC hoặc PE

- Có tác dụng bảo vệ lớp vỏ kim loại khỏi bị tác động ăn mòn điện hoá của môi trường

- Có thể phủ thêm 1 lớp chất bền nhiệt để chống cháy vỏ cáp khi có hoả hoạn xảy ra (thường áp dụng cho các đoạn cáp tiếp xúc với không khí)

2.4.2 Phụ kiện cáp

2.4.2.1 Hộp nối cáp:

Hiện nay, những loại hộp nối sau đã được phát triển cho cáp ngầm cao

áp:

- Hộp nối dạng băng cuộn (Tape joint)

- Hộp nối dạng đẩy (Extrusion joint)

- Hộp nối dạng ghép nhanh (Hot splice joint)

- Hộp nối dạng chụp (Slip-on joint)

- Hộp nối composite (Composite joint)

2.4.2.2 Hộp nối đất vỏ cáp:

Có hai loại hộp nối đất vỏ cáp phân theo chức năng: hộp nối đất trực

tiếp và hộp nối đất đảo pha vỏ cáp

Hộp nối đất vỏ cáp trực tiếp dùng tại vị trí nối cáp bằng hộp nối thông

thường và tại trạm biến áp, dây nối là cáp 1 lõi

Hộp nối đất vỏ cáp loại đảo pha dùng tại vị trí nối cáp bằng hộp nối cáp

cách ly vỏ kim loại, dây nối đất là cáp đồng trục

2.4.2.3 Đầu cáp:

Phù hợp với điểm đấu nối: Đối với trạm biến áp GIS sử dụng đầu cáp

loại cách điện SF6

2.5 Kỹ thuật đặt cáp và chôn cáp, so sánh các phương án và lựa chọn

phương thức đặt cáp cho cáp ngầm 220kV vượt kênh Đình Vũ

2.5 1 Các yếu tố cần phải cân nhắc:

Khi đặt cáp, cần cân nhắc đến vấn đề cơ khí đường dây Ngoại trừ khía

cạnh về điện và nhiệt của việc thiết kế đường dây cáp, người ta cần phải cân

nhắc đến ảnh hưởng về cơ khí và nhiệt cơ khí học trong quá trình kéo căng

dây cáp và lắp đặt cũng như vận hành

Sự ăn mòn dây cáp có thể đến từ các nguồn như hóa học, điện hóa, và

từ các vi khuẩn khử gốc sunphat Chính vì vậy cần đặc biệt chú ý khi thiết kế

cáp ngầm qua những vùng có độ ăn mòn cao như nhà máy hóa chất, nhà máy

điện phân, bờ biển hay những vùng có nguồn ăn mòn cao

Ảnh hưởng của môi trường Một số cách đặt cáp như là đặt cáp trong

đường ống thường có những trở ngại đặc biệt là khi lắp đặt ở vùng cạnh

đường dây cao áp, bờ biền, hầm mỏ, địa hình tự nhiên phức tạp

Đối với mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất

định Do vậy tùy theo điều kiện và yêu cầu cụ thể mà nhà đầu tư sẽ quyết định

chọn hình thức lắp đặt nào

2.5 2 Các kỹ thuật đặt cáp và chôn cáp chủ yếu

2.5.2.1 Phương pháp chôn cáp trực tiếp được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước

trên thế giới chủ yếu vì các đặc điểm cơ bản sau đây:

• Thời gian lắp đặt nhanh

• Giá thành tương đối rẻ so với các phương pháp chôn lắp đặt cáp khác

Kỹ thuật chôn lấp đơn giản bằng việc dùng đất, hoặc cát thông thường để

chôn lấp , dễ thi công

Hình vẽ sau mô tả chi tiết mặt cắt ngang của kỹ thuật chôn cáp điển

hình

Một số vấn đề cần lưu ý khi chôn lấp cáp trực tiếp:

Độ sâu của rãnh chôn cáp:

Độ sâu này phải đảm bảo rằng cáp ngầm phải được bảo vệ khỏi các tác

động cơ khí như xe cộ, sự đào bới của các thiết bị … và phải đảm bảo mức độ

an toàn cho người trong trường có sự cố hư hỏng về điện trong cáp

Một số qui định như sau :

• Nơi công cộng: 1,30m - 1,50m

• Trong các trạm điện, hoặc nhà máy điện: 1,00m

Độ rộng của rãnh chôn cáp:

Độ rộng phụ thuộc và phương pháp đặt cáp và khoảng cách giữa các

pha phụ thuộc vào cấp điện áp, dòng điện cần phải truyền tải Độ rộng của

rãnh chôn cáp sẽ tăng lên tỷ lệ thuận với các yếu tố sau:

• Độ lấp đầy của cát và vữa

• Phụ thuộc cách vận hành của cáp, ví dụ như trong quá trình vần hành

của cáp đòi hỏi phải kéo lê trên mặt sàn …

• Cần thềm lớp gạch chịu lực của rãnh khi mà độ sâu của rãnh lớn hơn

1,3m

Mặt sàn của rãnh chôn cáp:

Các dây cáp ngầm cần phải dược đặt trên một lớp cát phẳng dầy ít nhất

15cm hoặc là mặt sàn đất đã được nén kỹ hoặc tráng một lớp vữa phẳng

Khoảng cách các dây cáp đặt gần nhau

Khoảng cách này phụ thuộc vào việc tính toán ảnh hưởng nhiệt độ dùng

để tính toán công suất truyền tải của mỗi dây Trong thực tế, khoảng cách tối

thiểu giữa hai dây cáp đặt gần nhau là 70cm

2.5.2.2 Phương pháp đặt cáp trong mương cáp: Thông thường được dùng

trong các vùng đô thị vì nó có đặc điểm là có cấu trúc cơ khí tốt, bảo vệ tốt

cho cáp đối với những tác động cơ khí

2.5.2.3 Phương pháp đặt cáp trong ống dẫn nhựa chôn ngầm có ưu điểm cơ

bản so với các phương pháp chôn cáp khác đó là: Thông thường là những

công việc kỹ thuật xây dựng có thể được làm trước khi đặt, kéo cáp, do đó có

thể tránh được các vấn đề đào, lấp mương cáp trong thời gian dài, điều này

làm giảm những ách tắc giao thông, hoặc những bất tiện cho vùng dân cư

đông đúc như các vùng đô thị

Hình vẽ sau mô tả chi tiết mặt cắt ngang của kỹ thuật đặt cáp trong ống

dẫn điển hình

Phương pháp này có thể đáp ứng các yêu cầu sau:

• Giới hạn thời gian lắp đặt cáp

• Hiệu quả trong việc chống các va chạm cơ khí cho cáp, đặc biệt là

những vùng phải chịu nhiều tải cơ khí, hoặc những vùng chịu độ rung

lớn, những vùng chịu ảnh hưởng của xói mòn như vượt sông, hồ lớn,

biển,…

• Tránh được việc phải đào bới lại rãnh đặt cáp khi tiến hành thay dây

dẫn

Yêu cầu đối với việc lắp đặt ống nhựa:

Bán kính cong của ống nhựa phải lớn ít nhất 20 lần đường kính ngoài

của ống Các ống phải giống hệt nhau về kích thước và chất liệu

Một cỡ cáp hợp lý để chạy qua ống thì chiếm khoảng 80% đường kính

trong của ống nhựa

2.5.2.4 Phương pháp đặt cáp trong hầm không khí được áp dụng khi có yêu

cầu xây dựng và lắp đặt một vài mạch đường dây cáp ngầm cao áp cùng chạy

trên một đoạn đường

Các ưu điểm:

• Có thể đặt một vài đường dây cáp trong một khoảng không gian giới

hạn mà không giảm khả năng truyền tải của mỗi đường dây do ảnh

hưởng của nhiệt độ qua lại của các đường dây cáp với điều kiện là

hầm phải được thông khí, hoặc là có hệ thống quạt thông gió

• Có thể lắp đặt nhiều đường dây cáp ở nhiều thời điểm khác nhau

• Công việc sửa chữa và bảo dưỡng cáp đượng thực hiện ngay trong

hầm không khí

Các nhược điểm

• Giá thành xây dựng cao (chống thấm nước, thông gió, công việc làm

sàn, giá đỡ cáp)

• Cần cân nhắc vấn đề chống hỏa hoạn

Các loại hầm cáp điển hình: Việc thiết kế hầm cáp phải tuân theo các

giá trị tối thiểu sau đây:

• Chiều cao tối thiểu 2m, (với bất cứ độ rộng nào)

• Khoảng trống rộng tự do 0,90m (tính từ hai phía đối với tâm cáp )

dùng để lắp đặt và gắn cáp, sửa chữa, bảo dưỡng

• Có ít nhất hai lối vào ra với kích thước tối thiểu là 1,5mx1,0m (với

bất cứ chiều dài nào) và khoảng cách tối thiểu giữa hai ống thông gió

là 100m với diện tích mặt cắt tối thiểu là 0,90mx0,90m để đảm bảo

an toàn cho công nhân có thể thoát hiểm trong trường hợp có sự cố

Ngoài ra, còn phải kể đến các thiết bị khác trong công nghệ cáp ngầm

như là đường dây thông tin, sứ đầu cáp, quạt thông gió, các lưới cảnh báo có

cáp, các thiết bị treo móc…

2.5.3 So sánh giữa các phương pháp lắp đặt cáp

Sơ đồ bố trí cáp ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thi công công trình,

khả năng tải đáp ứng tính kinh tế và kỹ thuật của dự án cáp

Đặt trong ống

HDPE

- Dễ dàng mở rộng và thay thế cáp

- Khó đảm bảo khoảng cách giữ các pha do đó ảnh hưởng đến khả năng tải Đặt trong không

- Dễ dàng bảo dưỡng

- Giá thành rất cao

- Thời gian thi công dài

2.5.4 So sánh giữa các cấu hình bố trí cáp:

Cấu hình bố trí cáp có ảnh hưởng lớn đến giá thành xây dựng đường

cáp vì liên quan trực tiếp đến chiều rộng, độ sâu của mương cáp cũng như khả

năng tải của đường cáp

Bố trí cáp Ưu điểm Nhược điểm

3 pha thẳng

đứng

Chiều rộng mương cáp nhỏ (khoảng 1m) nên tiết kiệm diện tích đào đất, ít chiếm dụng diện tích giao thông

Phải tăng độ sâu mương cáp, khó lắp đặt cáp tại vị trí giao chéo với công trình ngầm Dễ gây sạt lở trong quá trình thi công

Cách bố trí này thích hợp cho cáp đặt trong TBA, nơi cáp đặt trong mương cáp bằng bê tông được xây dựng trước

3 pha đặt

nằm ngang

Thuận lợi trong quá trình thi công Có thể vẫn duy trì cung cấp điện 1 mạch trong khi sửa chữa mạch thứ 2 Thích hợp cho các HT cáp ở nơi nhiều tác động cơ học, dễ xử lý giao chéo các công trình ngầm

Diện tích đào lấp rộng do vậy cần có biện pháp thi công hợp lý, chẳng hạn theo từng cung đoạn

2.5.5 Lựa chọn phương thức đặt cáp cho đoạn cáp ngầm 220kV vượt kênh

Đình Vũ

Từ các phân tích ở trên ta có thể đưa ra các phương án đặt cáp để lựa

chọn cho đoạn cáp ngầm 220kV vượt kênh Đình Vũ như sau:

Ảnh hưởng của phương pháp đặt cáp đến tiết diện cáp

(Khả năng tải yêu cầu 1313A)

Phương pháp đặt cáp

loại vật liệu Tiết diện cáp (mm2) Ghi chú

3 pha ngang nối đất một đầu

Phương án chọn

ruột nhôm > 2x2000 Không sản xuất

3 pha tam giác nối đất một

đầu hoặc đảo pha

Qua các so sánh trên ta thấy đối với cáp ngầm 220kV vượt kênh Đình

Vũ do đi qua lòng kênh nên việc thi công rất khó khăn, nếu lựa chọn phương

án bố trí cáp 3 pha thẳng đứng sẽ rất khó thi công, hay 3 pha tam giác đều

không khả thi vì thi công sẽ trở nên rất khó khăn, phức tạp, giá thành xây lắp

sẽ tăng lên rất nhiều trong khi lợi ích đem lại không đáng kể Do vậy ta chọn

phương án bố trí cáp theo chiều ngang, đây là phương án tối ưu cho các tuyến

cáp 110, 220kV đi trong địa hình sông, hồ và vượt biển Phương án cũng

được Ireland áp dụng trong trường hợp thiết kế các tuyến cáp ngầm 220kV

vượt sông Tolka và sông Liffey và cũng là phương án tối ưu cho dự án cáp

ngầm vượt biển từ Texas đi South Padre Island được ABB thiết kế thi công

Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các sợi cáp của 1 mạch cáp đến khả

Khả năng tải của đường cáp sẽ tăng khi khoảng cách giữa các sợi cáp

trong một mạch và giữa các mạch cáp tăng lên

Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các mạch cáp đến khả năng tải

Khoảng cách

Khả năng tải A 1096,6 1168,7 1226,43 1269,7 1298,57 1313 1385

Ảnh hưởng của chiều sâu chôn cáp đến khả năng tải

Chiều sâu chôn

cáp

Khả năng tải A 1395,9 1451,2 1520,3 1382 1354,46 1313

Như đã phân tích ở chương 1 theo các số liệu do Cục Hàng Hải Việt

Nam cung cấp đồng thời do Cảng Đình Vũ dự kiến là Cảng mang tầm cỡ

quốc tế được sử dụng cho các tàu có trọng tải lớn qua lại nên trong luận văn

đã lưu ý các vấn đề liên quan đến sai số nạo vét, dự phòng xói lở (do tàu chạy,

thời gian, xoáy nước…) và độ sâu an toàn Như vậy chiều sâu đặt cáp là 11,5

đến 12m so với mặt nước tương ứng với độ sâu 4m so với đáy kênh hiện tại

Phần cáp đi trên bờ có độ sâu 1,80 m so với mặt đất hiện tại

Khoảng cách giữa các sợi cáp cũng liên quan trực tiếp đến khả năng tải,

khoảng cách giữa các sợi cáp càng lớn khả năng tải của cáp càng lớn với cùng

một tiết diện cáp nhưng sẽ gây ảnh hưởng không nhỏ tới các công tác khác

như đền bù, giải phóng mặt bằng, ảnh hưởng tới môi trường, dân sinh và

nhiều yếu tố khác Theo tính toán lựa chọn khoảng cách giữa các sợi cáp đoạn

đi trên bờ là 350 mm, khoảng cách giữa hai mạch cáp là 1350mm, đoạn đi

dưới đáy kênh khoảng cách giữa các sợi cáp là 2m, khoảng cách giữa hai

mạch của cáp lớn hơn 2m

Đối với dự án này chọn phương án đặt cáp trong ống HDPE, loại ống

nhựa này có độ bền cơ lớn, vật liệu HDPE không phát ra nhiều hơi độc và bốc

cháy khi phát nóng trong trường hợp sự cố, chẳng hạn ngắn mạch

Đường kính của cáp 220kV XLPE 1200 mm2 cho vào khoảng 98 - 111

mm, như vậy để thuận tiện cho quá trình thi công kéo rải cáp, mỗi sợi cáp đi

dưới lòng sông cho đặt trong 1 ống nhựa HDPE đường kính 250mm Các

đường ống bảo vệ cáp được đặt sâu dưới mức nạo vét luồng lạch ở giai đoạn

hoàn thiện theo các thông số yêu cầu của Cục Hàng hải Việt Nam, cáp được

đặt ở độ sâu -11,5m đến -12m so với hệ hải đồ Đặt các đường ống HDPE 250

theo cùng mặt phẳng ngang (cùng cao độ), mỗi đường ống cách nhau 2m

Dây tiếp địa, cáp quang phục vụ thông tin cũng được luồn trong đường ống

HDPE DN50 Phần cáp đi trên bờ có các lớp cấu tạo của mương cáp từ trên

xuống dưới bao gồm: lớp đất tự nhiên, lớp lưới báo hiệu, lớp bảo vệ bằng bê

tông hoặc lưới PE, lớp vật liệu ổn định nhiệt dày khoảng 1m (đối với trường

hợp cáp trôn trực tiếp) Lớp ổn định nhiệt này sẽ được sử dụng làm thông số

tính tiết diện của cáp

2.6 C ác kỹ thuật nối đât bảo vệ và lựa chọn phương thức nối đất vỏ cáp

cho cáp ng ầm 220kV vượt kênh Đình Vũ

2.6.1 Gới thiệu về hệ thống nối đất vỏ cáp

Cáp lực đơn pha thường có một vỏ đồng tâm và màn chắn bao quanh

phần dẫn dòng điện, nó thường mang điện thế của đất Khi cáp mang dòng

xoay chiều sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng ở trong vỏ cáp và sẽ tạo ra dòng điện

chạy dọc vỏ cáp nếu vỏ tạo thành mạch kín, ví dụ khi nối đất vỏ ở cả hai đầu

của cáp sẽ sinh ra dòng điện trong lớp vỏ kim loại này và sẽ gây tổn thất nhiệt

làm giảm giá trị định mức của cáp, vì vậy phải đề ra phương pháp đấu nối vỏ

đặc biệt và tiếp đất sao cho hạn chế hoặc giảm dòng điện chạy dọc vỏ cáp

này

Đối với cáp một lõi mang dòng điện lớn quá 500A thường sử dụng biện

pháp nối vỏ đặc biệt để đảm bảo yêu cầu kinh tế cũng như giảm tổn thất

Khi sử dụng biện pháp nối đất vỏ đặc biệt thì có thể sử dụng cáp có lõi

bé hơn, tuy nhiên khi đó vấn đề kinh tế sẽ được đặt ra để cân nhắc là sử dụng

biện pháp nối đất hai đầu với tiết diện lõi lớn hơn hay sử dụng biện pháp nối

đất vỏ đặc biệt với lõi bé hơn nhưng phải bổ sung các thiết bị phụ trợ đi kèm

và chi phí bảo dưỡng các thiết bị này trong suốt quá trình vận hành với một

hợp bộ nối đất vỏ đăc biệt

Trong thiết kế cáp có vỏ đấu nối đặc biệt, cần phải quan tâm các vấn đề

sau:

a) Lựa chọn hệ thống vỏ đấu nối chấp nhận được

b) Vỏ bình thường coi là có điện thế đất, nhưng hệ thống vỏ đặc biệt thì

có điện thế với đất Vì vậy phần kim loại của vỏ phải có cách điện thích hợp

Trị số điện áp vỏ vì lý do an toàn, cần giới hạn ở một trị số nào đó

c) Việc ngăn chặn hoàn toàn dòng điện trong vỏ không phải lúc nào

cũng thực hiện được do khó khăn trong lựa chọn chiều dài cáp và chỗ phân

cách Trong giai đoạn thiết kế, chiều dài cáp và khoảng phân cách nói chung

chưa biết được chính xác và thường chỉ bổ sung trị số tổn thất phụ do dòng

không cân bằng vào trị số định mức (IEC 287, mục 6.6) Nếu thấy có sự thay

đổi về chiều dài cáp cũng như khoảng phân cách thì phải tính dòng ký sinh

trong vỏ để đánh giá tác động của nó vào trị số định mức của cáp

d) Khi áp dựng phương pháp nối đất đảo pha, điện áp ở vỏ tăng lên khi

cáp bị sự cố hoặc lưới đang ở trạng thái quá độ, điện áp này là đáng kể Với

hệ thống cáp cao áp phải có thiết bị để hạn chế điện áp này và trong mọi

trường hợp chúng được tính toán phối hợp với mức cách điện của vỏ cáp Khi

cách điện vỏ cáp hoặc thiết bị hạn chế điện áp bị hỏng, thì dòng điện và tổn

hao trong vỏ cáp tăng cao làm vỏ cáp bị quá nóng Vì vậy phải xác định giới

hạn điện áp vỏ cáp và giám sát trị số này trong vận hành

2.6 2 Phương pháp luận

2.6.2.1 Lý thuyết chung:

Dây dẫn điện P, khi đặt song song với ba dây dẫn mang dòng điện ba

pha cân bằng sẽ có gradient điện áp cảm ứng dọc theo chiều dài theo công

thức:

Ep = jωI.2.10-7 (

p p

p

p p

S

S j

S

S S

1

3 2

2

3 1

ln2

3

ln2

I1 = αI; I3 = α2I; α = -

2

3 2

1

j

+

Thấy rõ rằng khoảng cách song song từ dây dẫn tới nhóm cáp tăng lên

so với khoảng cách các pha thì điện áp cảm ứng có khuynh hướng tiến đến

không Nếu các pha được hoán vị từng khoảng thì điện áp cảm ứng cũng bằng

không sau một chu kỳ hoán vị

2.6.2.2 Gradient điện áp cảm ứng trong vỏ cáp

Gradient điện áp cảm ứng trong vỏ cáp có thể đáng kể trong trường hợp

đặc biệt khi dây dẫn song song là vỏ bao quanh dây dẫn với khoảng cách bằng

bán kính trung bình của vỏ Nếu không có các dòng điện khác chạy trong các

dây lân cận hệ thống cáp xem xét, thì 3 trị số gradient điện áp cho một nhóm

cáp bất kỳ có dòng điện 3 pha cân bằng được cho bởi:

a/Tr ường hợp chung cho cách bố trí cáp bất kỳ:

E1 = jωI.2.10-7 (- ln2 )

2

3

2 ln 2

13 12 2

d

S j

S d

2

3

4 ln 2

1

12

23 2

23 12

S

S j

d

S S

E3 = jωI.2.10-7 (- ln2 )

2

3

2 ln 2

13 23 2

d

S j

S d

S

− V/m

Trong đó:

d = đường kính hình học vỏ

S12 = Khoảng cách hướng trục của pha 1 và 2 (từ tâm cáp 1 đến cáp 2)

S23 = Khoảng cách hướng trục của pha 2 và 3 (từ tâm cáp 2 đến cáp 3)

S13 = Khoảng cách hướng trục của pha 1 và 3 (từ tâm cáp 1 đến cáp 3)

b/ Cáp bố trí hình ba lá

Khi cáp bố trí theo hình ba lá, S12 = S23 = S31, các phương trình trên rút

Cách bố trí cáp theo mặt phẳng là cách thông dụng, khoảng cách giữa

các tim cáp là S Gradient điện áp trên vỏ là:

d

S j

d

ln 2

3 ln

2

1 +

S/d = 4

S/d = 4 S/d = 1,1

S

S S

Bố trí cáp theo hình 3 lá

Bố trí cáp theo mặt phẳng

E3 = jωI.2.10-7 ( )

d

S j

d

ln 2

3 ln

2

1

−

d/ Giá trị gradient điện áp trên vỏ

Hình 2.2 biễu diễn giá trị gradient điện áp trên vỏ được tính từ các công

thức trên cho cả hai trường hợp bố trí theo hình sao ba lá và bố trí theo hình

phẳng theo tỷ số S/d

Hình 2.2 Gradient điện áp cảm ứng khi có I = 1000A, U đm = 220kV

e/ Màn chắn và hoán vị

Gradient U tính trong các phương trình trên chỉ tính với từ trường của

dòng 3 pha Nếu có cáp mang dòng điện ở lân cận thì điện áp cảm ứng sẽ bị

thay đổi, đặc biệt là có dây dẫn đấu song song mang dòng điện cảm ứng thì

gradient U sẽ giảm Mức độ giảm phụ thuộc vào bố trí cáp và trở kháng của

mạch vòng mang dòng được gọi là "màn chắn" dây dẫn

Cáp lực thường đặt cùng cáp điều khiển và thông tin trong cùng một

hào, và yêu cầu phải giảm U cảm ứng tối thiểu trong các cáp song song này

làm giảm U cảm ứng trong các cáp song song Đặc biệt trong hệ thống đảo vỏ

nối đất thì vỏ không còn dòng cảm ứng và không còn là màn chắn, khi phụ tải

trong cáp là cân bằng (Khi tải không cân bằng hoặc khi sự cố, thì dòng điện

trong vỏ sẽ xuất hiện trong cáp được đấu nối đảo pha và như vậy hiệu quả

màn chắn quan trọng sẽ xuất hiện trong trường hợp này Tác dụng màn chắn

cũng có khi vỏ cáp hoặc dây áo giáp cáp đi song song)

Điện áp cảm ứng ở cáp song song khi phụ tải cân bằng có thể hạn chế

bằng cách hoán vị cáp, đặc biệt thích hợp khi cáp Đấu nối đặc biệt trừ khi

tính toán điện áp cảm ứng có thể chấp nhận mà không cần hoán vị Hoán vị

cũng là biện pháp bổ sung làm cân bằng trở kháng của cáp 3 pha Cáp lực cỡ

lớn thì không hoán vị trừ trường hợp hoán vị ở chỗ nối Khi cáp lực chỉ có

một đoạn hoặc hai đoạn thì không hoán vị được, lúc đó sẽ hoán vị các dây

dẫn đi song song với nó như sẽ nói dưới đây

Hình 2.3 Hoán vị cáp song song để giảm U cảm ứng khi cáp lực bố trí theo

hình sao ba lá hoặc hình phẳng

Dây nối đất song song

Cáp bố trí hình phẳng Cáp bố trí hình sao ba lá

S S

L/2

L

0,7 S

Hình 2.3 chỉ ra các phương pháp hoán vị cáp chạy song song hoặc dây

dẫn Khi cáp lực đặt trên mặt phẳng có khoảng cách xa nhau thì cáp đi song

song sẽ đặt vào giữa như hình 2.3 Nếu không đủ chỗ hoán vị hoặc khi cáp lực

đặt hình sao ba lá (tam giác) thì cáp song song có thể đặt ngay ở cạnh dọc

theo cáp lực Trong mọi trường hợp cáp song song phải hoán vị ở giữa từng

đoạn hoặc trên tuyến để vị trí cáp ở hai đầu là giống nhau

2.6.3 Đấu đất vỏ cáp ở một điểm

Cách bố trí đơn giản nhất của nối vỏ đặc biệt đối với vỏ cáp 3 pha là

nối chúng với nhau và chỉ tiếp đất một điểm dọc đường cáp Các điểm khác sẽ

có điện áp với đất theo công thức ở trên, điện áp cao nhất tại điểm xa điểm

tiếp đất nhất Vỏ cáp phải cách điện với đất Không được khép kín mạch vỏ

cáp, trừ khi điện áp đã được hạn chế tới mức không tạo được dòng điện dọc

vỏ cáp và không gây tổn thất ở vỏ (tuy nhiên tổn hao dòng xoáy vẫn còn)

2.6.3.1 Điện áp duy trì ở vỏ

Trị số điện áp duy trì ở vỏ xem ở hình 2.2 Với mạch tiêu biểu, I =

500A và S/d = 2 thì điện áp vỏ tương ứng là 43,5 tới 58V/ km khi đặt theo

hình sao ba lá (tam giác) hoặc mặt phẳng Khi đó ở vỏ cáp có thể có một số

điểm mà người vận hành có thể tiếp xúc được, các điểm đó có điện thế gần

đất hoặc bằng đất và đưa ra điện áp cho phép lớn nhất cho phép người có thể

tiếp xúc để kiểm tra trong vận hành ngay cả khi đầy tải Lưu ý rằng điện áp

này sẽ cao lên khi có sự cố hoặc trong quá trình quá độ Trị số U vỏ cho phép

trong khi cáp đang vận hành đầy tải ở mỗi nước qui định khác nhau Trong

một số trường hợp (khi nguy cơ người và thiết bị chạm vào các điểm nối đất

vỏ cao, như các khu vực công cộng đông người, những nơi mà nguy cơ người

có thể tiếp cận với tần suất cao như trong trạm biến áp,…) cần ngăn ngừa việc

sử dụng nối đất tại 1 điểm (trừ trường hợp chiều dài của cáp cỡ vài trăm mét)