GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Trong bối cảnh Việt Nam phát triển nhanh chóng về cơ sở hạ tầng, hệ thống lưới điện cũng đang được cải thiện đáng kể Tuy nhiên, các tuyến dây điện trên không chỉ gây mất mỹ quan cho đô thị mà còn tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cho người tham gia giao thông Do đó, việc ngầm hóa lưới điện trở nên cần thiết, không chỉ nhằm cải thiện mỹ quan đô thị mà còn nâng cao năng lực cung ứng điện, đảm bảo an toàn trong vận hành và sử dụng hiệu quả không gian công cộng Hơn nữa, giải pháp này còn góp phần cải thiện môi trường sống và nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân trong khu vực.
Hiện nay, việc ngầm hóa lưới điện đang diễn ra nhanh chóng và mở rộng, mang lại nhiều lợi ích Tuy nhiên, việc khắc phục và sửa chữa hệ thống cáp ngầm khi xảy ra sự cố gặp không ít khó khăn do vị trí của các tuyến dây nằm trong lòng đất, khiến cho việc xác định vị trí sự cố trở nên phức tạp và khó khăn hơn so với đường dây trên không.
Việc khắc phục sự cố trên lưới điện ngầm thường tốn nhiều thời gian hơn so với sửa chữa các tuyến dây trên không, dẫn đến thời gian mất điện kéo dài và giảm độ tin cậy cũng như chất lượng của hệ thống điện Tuy nhiên, việc cấp điện trở lại cho hệ thống là khả thi vì lưới ngầm phân phối thường được thiết kế theo mạch vòng nhưng lại vận hành theo hình tia.
Trong quá trình vận hành, đường dây phân phối điện có thể gặp sự cố ngắn mạch do rạn nứt cách điện, gây lão hóa và phóng hồ quang điện giữa dây nóng và dây nguội Nguyên nhân có thể là do lắp đặt sai hoặc sự thẩm thấu nước theo thời gian, dẫn đến nhiệt độ tăng cao và tình trạng phóng hồ quang ngày càng mạnh Hiện tượng này có thể gây sụt áp, điện chập chờn hoặc mất điện cho thiết bị Khi xảy ra sự cố, rơ le bảo vệ sẽ tự động tách các thiết bị và đường dây khỏi hệ thống điện để ngăn chặn ảnh hưởng.
Quá trình nhận dạng và phát hiện sự cố trên hệ thống điện là rất quan trọng, vì nó giúp nhanh chóng cách ly và xác định chính xác đoạn dây gặp sự cố, từ đó khôi phục lại chế độ làm việc bình thường, giảm thiểu thời gian mất điện và thiệt hại kinh tế, đồng thời nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho người tiêu dùng Để xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên lưới cáp ngầm phân phối, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và phát triển các thiết bị chuyên dụng Các phương pháp phát hiện vị trí ngắn mạch hiện nay chủ yếu được chia thành ba nhóm: phương pháp bơm xung phản xạ, phương pháp sóng truyền và phương pháp tổng trở.
Để nghiên cứu và tìm vị trí sự cố cáp ngầm, em thực hiện đồ án thiết kế mô hình mô phỏng hệ thống cáp ngầm thực tế Việc áp dụng các phương pháp tổng trở lên lưới điện thực tế gặp nhiều khó khăn, do đó, thiết kế mô hình ứng dụng cho phương pháp tổng trở là cần thiết cho quá trình nghiên cứu.
Nhiệm vụ của đồ án
Đồ án “ Thiết kế mô hình mô phỏng cáp ngầm lưới phân phối” có nội dung như sau:
Đồ án này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí sự cố trong hệ thống cáp ngầm phân phối, từ đó nhấn mạnh yêu cầu và tính cấp thiết của việc phát hiện nhanh chóng các sự cố Việc tìm ra vị trí chính xác của sự cố không chỉ giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động mà còn nâng cao hiệu quả trong công tác bảo trì và sửa chữa, đảm bảo hệ thống điện hoạt động ổn định và an toàn.
Thiết kế mô hình hệ thống cáp ngầm lưới phân phối với thông số chính xác giúp nghiên cứu và xác định vị trí sự cố cáp ngầm hiệu quả Mô hình này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình quản lý và bảo trì hệ thống điện phân phối.
- Xây dựng phương trình và giải thuật để thiết kế cuộn dây có thông số đúng với thông số cáp ngầm thực tế
- Kết quả nghiên cứu của đồ án.
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các thông số chính trên một lưới điện phân phối
- Thiết kế mô hình hệ thống cáp ngầm phân phối dựa trên các thông số của đường dây
- Nghiên cứu tính toán và đưa ra giải thuật thiết kế cuộn dây dựa trên thông số đường dây
- Áp dụng kết quả để tiến đến kiểm chứng kết quả trên hệ thống thực tế.
Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu các mô hình lưới điện phân phối hiện nay là cần thiết để hiểu rõ hơn về các thông số đường truyền tải trên lưới điện Những thông số này có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của hệ thống điện, từ hiệu suất truyền tải đến độ tin cậy của lưới điện Việc phân tích các yếu tố này giúp tối ưu hóa vận hành và nâng cao hiệu quả của hệ thống điện phân phối.
- Kết hợp giải thuật tính toán và thực nghiệm để thiết kế cuộn dây chính xác nhất
- Phân tích các kết quả nhận được
- Đánh giá tổng quát toàn bộ đồ án Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
Điểm mới của đồ án
- Đưa ra giải thuật thiết kế các cuộn dây mô phỏng hệ thống thực tế có thông số tương ứng với thông số của cáp ngầm
- Thiết kế module hệ thống giả lập sự cố trong cáp ngầm
- Góp phần nâng cao chất lượng, độ tin cậy cũng như chính xác của mô hình.
Giá trị thực tiễn của đề tài
Mục tiêu của việc xây dựng hệ thống giả lập sự cố cáp ngầm là cung cấp cái nhìn tổng thể về hệ thống cáp ngầm, giúp xử lý sự cố nhanh chóng và hiệu quả Hệ thống này không chỉ cho phép phát triển các giải pháp thực tế một cách chính xác mà còn cải thiện khả năng xác định sự cố, từ đó nâng cao chất lượng cung cấp điện cho người dân Việc này góp phần giảm chi phí cho lưới điện trong cả quá trình xây dựng và vận hành hệ thống phân phối.
Đề tài “Xây dựng mô hình đường dây cáp ngầm phân phối” được thực hiện với mục đích cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống phân phối điện ngầm, giúp mọi người hiểu rõ hơn về cấu trúc và hoạt động của nó.
Cáp ngầm và phương pháp xác định vị trí sự cố một cách trực quan hơn so với lý thuyết Ngoài ra, nó còn hỗ trợ trong việc kiểm tra các thuật toán xác định vị trí sự cố của cáp ngầm.
Từ công việc nghiên cứu của đồ án:
- Cung cấp cho mọi người cái nhìn trực quan hơn về hệ thống cáp ngầm
- Nhận được kết quả từ một mô hình mô phỏng cho một lưới điện phân phối với các thông số lưới thực tế
- Ứng dụng rộng rãi trong các trạm phân phối trong hệ thống điện nhằm xác định nhanh các sự cố và vị trí của chúng trên lưới
Nội dung đồ án
Chương 2: Thiết kế mô hình đường dây cáp ngầm phân phối
Chương 3: Thiết kế cuộn dây mô phỏng đường dây cáp ngầm
Chương 4: Kết quả tính toán và thực nghiệm
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Trong xã hội hiện đại, nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng gia tăng, đòi hỏi sự phát triển hệ thống lưới điện trở thành vấn đề thiết yếu Bên cạnh việc đáp ứng nhu cầu sử dụng, lưới điện cần đảm bảo tính mỹ quan và an toàn cho cư dân, đặc biệt là tại các khu vực thành phố.
Các đường dây cáp ngầm đang được đầu tư mạnh mẽ nhằm nâng cao độ an toàn cho người dân và hệ thống điện Chúng đáp ứng yêu cầu cung cấp điện liên tục và đảm bảo chất lượng điện năng Đặc biệt, cáp ngầm là giải pháp tối ưu cho những công trình không thể sử dụng đường dây trên không do lý do an toàn, như các tuyến điện vượt biển, vượt sông hoặc trong các khu vực đô thị đông đúc.
Chương này sẽ trình bày các lý thuyết liên quan đến nghiên cứu trong lĩnh vực cáp ngầm Nội dung chính bao gồm cấu tạo và vai trò của đường dây phân phối cáp ngầm trong bối cảnh 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 tại.
Việc phát triển lưới điện phân phối cáp ngầm là cần thiết cho các đô thị hiện đại Cáp ngầm không chỉ tiết kiệm không gian mà còn không ảnh hưởng đến sinh hoạt hàng ngày của người dân và loại bỏ các tác hại từ dòng điện do được chôn dưới đất Để đảm bảo mỹ quan đô thị và an toàn cho người dân, đặc biệt trong mùa mưa bão, cáp ngầm đang dần thay thế các đường dây trên không trong các thành phố và khu dân cư.
Khi xảy ra sự cố lưới điện phân phối, cáp ngầm gặp nhiều bất lợi hơn so với đường dây trên không do khó khăn trong việc xác định vị trí sự cố, vì chúng được chôn ngầm trong đất hoặc đi qua các ống dẫn Việc đấu nối cáp ngầm cũng phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật và thiết bị chuyên dụng, dẫn đến thời gian khắc phục sự cố kéo dài, ảnh hưởng đến việc cung cấp điện cho khách hàng Để giảm thiểu thời gian mất điện và nâng cao chất lượng điện năng, cần có phương pháp hiệu quả để xác định nhanh chóng vị trí sự cố ngắn mạch trong cáp ngầm.
Sáu mạch này sẽ giúp nhanh chóng phát hiện và cách ly đoạn cáp gặp sự cố ngắn mạch, đồng thời cung cấp điện cho các nhánh không bị ảnh hưởng trên lưới điện phân phối.
Lưới điện phân phối có nhiều nhánh rẽ và nút phụ tải không cân bằng, khiến việc áp dụng các phương pháp xác định vị trí ngắn mạch lưới điện truyền tải trở nên khó khăn Việc cách ly đoạn sự cố để xác định ngắn mạch tốn thời gian, dẫn đến mất điện lâu cho lưới điện phân phối Do đó, xu hướng hiện nay là xác định vị trí ngắn mạch online ngay khi sự cố xảy ra Có ba phương pháp chính để xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm: phương pháp bơm xung, tổng trở và sóng truyền Phương pháp bơm xung sử dụng máy tạo xung để phát xung dòng vào đoạn dây có sự cố, từ đó xác định khoảng cách từ điểm ngắn mạch dựa trên thời gian phản xạ Mặc dù phương pháp này có độ chính xác cao, nhưng chỉ áp dụng cho các tuyến dây đã cách ly, yêu cầu thiết bị đắt tiền và đo lường chính xác, làm tăng thời gian thực hiện và chi phí.
Phương pháp sóng truyền xác định vị trí ngắn mạch sử dụng tín hiệu quá độ tần số cao khi xảy ra sự cố trên lưới điện Phương pháp này nổi bật với độ chính xác cao và ít bị ảnh hưởng bởi giá trị phụ tải tại các nút Tuy nhiên, để đảm bảo thu thập tín hiệu chính xác, cần có các bộ đo lường với tốc độ chuyển đổi ADC cao từ 100 KHz đến vài MHz, cùng với cấu hình bộ xử lý dữ liệu mạnh mẽ để thực hiện các phép biến đổi nhanh chóng.
Chi phí cao của thiết bị là một trong những lý do khiến phương pháp xác định vị trí ngắn mạch cáp ngầm chưa được áp dụng rộng rãi cho các trạm biến áp phân phối Phương pháp tổng trở, mặc dù không yêu cầu thiết bị chuyên dụng đắt tiền như phương pháp sóng truyền, nhưng thường gặp sai số lớn do sử dụng các thuật toán phân tích mạch qua các nút Để cải thiện hiệu quả xác định vị trí ngắn mạch, đề án này đề xuất phương pháp dựa trên tổng trở, kết hợp với tính chất thuần trở của điện trở ngắn mạch Việc áp dụng phương pháp tổng trở không chỉ giúp giảm chi phí đầu tư thiết bị mà còn giảm sai số trong tính toán vị trí ngắn mạch, nâng cao độ chính xác cho các phương pháp này.
1.2.1 Cấu tạo cáp ngầm điện lực
Trong lịch sử phát triển của cáp ngầm điện lực, nhiều loại cáp đã được ra đời để đáp ứng nhu cầu sử dụng Do dòng điện có xu hướng quay trở về đất, việc sử dụng cáp ngầm đòi hỏi cách điện phải tốt hơn nhiều so với cáp trên không nhằm tối thiểu hóa tổn thất điện năng Điều này dẫn đến cấu trúc cáp ngầm phức tạp hơn và yêu cầu công nghệ sản xuất cao hơn, làm tăng chi phí sản xuất Cáp ngầm điện lực bao gồm các thành phần cơ bản như:
Đồng và nhôm là hai vật liệu chính trong sản xuất dây dẫn điện, với đồng chiếm ưu thế nhờ khả năng dẫn điện tốt và giá thành thấp hơn bạc Dây dẫn có nhiều định dạng như bện, dây đặc và rẽ quạt, với hình dạng và kích thước phụ thuộc vào giá cáp tại thời điểm đấu thầu Nhôm được sử dụng do nhẹ và dễ thao tác, nhưng khó hàn và mối hàn không chắc chắn, vì vậy khi nối cáp nhôm cần đảm bảo không có oxit nhôm.
8 trên bề mặt tiếp xúc, điều này không cần thiết khi nối dây dẫn điện bằng đồng hay đồng thau
Hình 1-1 Mặt cắt ngang một số cáp ngầm cách điện giấy tẩm dầu
Giấy tẩm dầu và giấy cách điện cho cáp ngầm điện lực được sử dụng cho tất cả các cấp điện áp Đây là loại chất cách điện đầu tiên cho cáp ngầm khi công nghệ vật liệu chưa phát triển Tuy nhiên, do yêu cầu bảo trì bảo dưỡng liên tục và kỹ thuật cao trong vận hành, giấy tẩm dầu hiện nay ít được áp dụng cho các công trình mới.
XLPE (polyethylene liên kết chéo) là vật liệu cách điện phổ biến nhất trong sản xuất cáp ngầm hiện nay, nổi bật với độ bền cơ học cao và tuổi thọ lâu dài Nó có khả năng chịu nhiệt tốt, đặc biệt là trong các tình huống ngắn mạch với nhiệt độ lên đến 250°C XLPE sở hữu cường độ điện môi cao và tính chất điện cực tốt trong dải nhiệt độ rộng Với đặc tính chống nước và không hút ẩm, XLPE rất phù hợp cho môi trường đất Hơn nữa, XLPE không có điểm nóng chảy rõ ràng và duy trì độ đàn hồi ở nhiệt độ cao, cho phép mang dòng điện lớn hơn, khả năng quá tải và chịu đựng ngắn mạch tốt hơn so với cáp ngầm cách điện bằng giấy tẩm dầu.
Cáp ngầm điện lực XLPE có độ dày cách điện lớn hơn so với cáp ngầm điện lực giấy tẩm dầu, dẫn đến việc cáp XLPE thường có đường kính lớn hơn và chiều dài ngắn hơn một chút khi so sánh với các loại cáp ngầm khác trong cùng một cuộn.
Hình 1-2 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện XLPE
Cáp ngầm cách điện bằng cao su ethylene propylene (EPR) có cấu trúc tương tự như cáp XLPE và được sản xuất theo quy trình tương tự Cả hai loại cáp đều bền bỉ và có khả năng chịu nhiệt tốt, nhưng EPR nổi bật với khả năng co giãn vượt trội trong dải nhiệt độ rộng hơn Điều này khiến cáp EPR có chất lượng cao hơn so với các loại cáp ngầm điện lực khác hiện nay Tuy nhiên, chi phí sản xuất cáp ngầm điện lực EPR hiện tại rất cao, do đó, chúng chỉ được sử dụng cho các công trình quan trọng với yêu cầu cao về an toàn vận hành và cung cấp điện.
Hình 1-3 Cấu tạo cáp ngầm điện lực dùng cách điện EPR
