Luận án Nghiên cứu quá điện áp trên hệ thống truyền tải hỗn hợp đường dây trên không và cáp

ng hợp cáp ngầm. Do đó, tổng trở sóng của lõi cáp không ảnh hưởng bởi môi trường đặt cáp. Hình 2.7. Quá điện áp trên lõi mạch 1 vị trí CC-trường hợp cáp đi trên không Kết quả mô phỏng điện áp trên vỏ cáp khi cáp đi trên không (Hình 2.8) cho thấy hệ số suy giảm (attenuation) trên vỏ cáp nhỏ hơn nhiều so với trường hợp cáp đi ngầm trong đất, hiện tượng này cũng phù hợp với các kết quả mô phỏng trước đó đối với cáp 132 kV [64]. Mặt khác khi cáp nằm trên không, tổng trở sóng của vỏ cáp chính bằng tổng trở sóng của đường dây trên không, do đó trị số tổng trở sóng vỏ cáp trong trường hợp này lớn hơn nhiều so với trường hợp cáp nằm hoàn toàn trong đất. Sự khác nhau cơ bản này làm cho điện áp trên vỏ cáp trong trường hợp cáp đi trên không ở các vị trí đảo vỏ tăng gấp 1,6 lần so với trường hợp cáp đi ngầm toàn bộ, với điện áp lớn nhất ở vỏ pha C tăng từ 42,8 kV (cáp ngầm) lên 67.7 kV (cáp đi trên không) như trình bày trong bảng 2.2. Đối với dòng điện sét 11,4 kA đi vào lõi cáp, điện áp trên mọi điểm của vỏ đều lớn hơn mức BIL cho phép (40 kV) của vỏ cáp XLPE 220 kV. 32 Hình 2.8. Điện áp trên vỏ cáp mạch 1 tại vị trí đảo vỏ thứ nhất Bảng 2.2. Điện áp trên vỏ cáp trong trường hợp cáp đi trên không – nằm ngang Vị trí đảo vỏ thứ nhất Vị trí đảo vỏ thứ hai Pha A1 B1 C1 A1 B1 C1 Vmax(kV) 55,9 -51,1 67,7 31,5 48,1 57,2 t (s) 16,2 57,5 71,5 29,7 29,2 68 So sánh với trường hợp cáp ngầm toàn tuyến, điện áp lớn nhất tại vị trí đảo vỏ A1 đạt đến giá trị lớn nhất Vmax= 23 kV (hình 2.8) ở thời gian 26 s thì điện áp lớn nhất tại vị trí này đạt trị số 55,9 kV tại 16,2 s, ngay ở dao động đầu tiên đối với trường hợp cáp đi trên không. Kết quả này là do vận tốc truyền sóng trên vỏ cáp trong trường hợp cáp đi trên không lớn hơn trường hợp cáp ngầm (212 m/s so với 175 m/s) dẫn đến thời gian để sóng phản xạ đầu tiên từ vị trí đảo vỏ thứ hai trở về vị trí đảo vỏ thứ nhất chỉ mất khoảng 2,3 s, các đỉnh tiếp theo bị bào mòn nhiều hơn do hệ số suy giảm lớn hơn và tần số dao động cao hơn nhiều trường hợp cáp ngầm. 2.3.3. Cáp đi trên cầu bê tông Đối với cáp vượt sông, giải pháp đơn giản và an toàn nhất nếu có thể là chạy dưới cầu. Xét một trường hợp cáp có một phần đi ngầm trong đất và một phần chạy trên cầu bê tông như minh họa trên hình 2.9. Hình 2.9. Cấu trúc của cáp đi trên cầu bê tông 33 Hình 2.10. Điện áp trên vỏ cáp mạch 1 tại vị trí đảo vỏ thứ nhất. Bảng 2.3. Điện áp trên vỏ cáp trong trường hợp một phần cáp đi trên không Vị trí đảo vỏ thứ nhất Vị trí đảo vỏ thứ hai Pha A1 B1 C1 A1 B1 C1 Vmax(kV) 24,8 27,7 45,1 29,3 26,4 26,4 t (s) 15,5 288 78,6 349 393,3 82,5 Điện áp trên vỏ cáp tại các vị trí đảo vỏ và thời gian đạt đỉnh được trình bày trên hình 2.10 và bảng 2.3. Điện áp lớn nhất trên vỏ luôn xuất hiện tại pha C1 với giá trị Vmax= 45,1 kV. Trị số này nhỏ hơn trường hợp cáp đi trên không (67,7 kV) và lớn hơn trường hợp cáp đi ngầm (42,8 kV). Kết quả này cho thấy sự kết hợp giữa tổng trở sóng cao của vỏ cáp đoạn đi trên không và tổng trở sóng thấp của đoạn cáp đi ngầm làm cho điện áp lớn nhất trên vỏ cáp nằm giữa trị số điện áp ứng với hai trường hợp này. 2.3.4. Cáp đi trên cầu kim loại Đối với cầu bằng kim loại, bản thân mặt cầu và kết cấu cầu bằng kim loại (sắt hoặc thép) sẽ bị cảm ứng khi có dòng điện chạy trong lõi cáp và trên vỏ cáp. Điện áp cảm ứng này sẽ làm cho điện áp giữa vỏ cáp và đất (mặt cầu) thay đổi. Trong phần này ta sẽ xét trường hợp cáp đi trên không một phần như mục 2.3.3 nhưng cầu được làm bằng kim loại. Khi đó phần mặt cầu bị cảm ứng sẽ được mô phỏng bằng các dây dẫn tương đương như trên hình 2.3 c. Dây dẫn này có độ từ thẩm tương đối µr=100, điện trở suất = 20.10-8 Ωm và được nối đất với điện trở 4 Ω tại hai đầu cầu. 34 Hình 2.11. Quá điện áp trên vỏ cáp mạch 1 tại vị trí đảo vỏ thứ nhất. Điện áp trên vỏ cáp tại các vị trí đảo vỏ và thời gian đạt đỉnh được trình bày trên hình 2.11 và trong bảng 2.4. Điện áp lớn nhất trên vỏ luôn xuất hiện tại pha C1 với giá trị Vmax= 43 kV. Trị số này nhỏ hơn trường hợp cáp đi cầu bê tông (45,1 kV) và lớn hơn trường hợp cáp đi ngầm (40,7 kV). Nguyên nhân là do sự tương hỗ giữa cáp và dây dẫn được mô phỏng bằng khung dẫn của cầu sắt. Như vậy, kết cấu kim loại của cây cầu làm giảm đáng kể quá điện áp trên vỏ của cáp với mức giảm tới hơn 5%. Ngoài ra hiện tượng cảm ứng trên cầu kim loại cũng làm cho dao động điện áp suy giảm nhanh hơn nhiều so với trường hợp cầu không làm bằng kim loại. Bảng 2.4. Điện áp trên vỏ cáp trong trường hợp một phần cáp đi trên cầu kim loại Vị trí đảo vỏ thứ nhất Vị trí đảo vỏ thứ hai Pha A1 B1 C1 A1 B1 C1 Vmax(kV) 31 20,5 43 17,5 21,9 19,3 t (s) 16 17,5 35 17,5 20,1 32,7 2.4. Ảnh hưởng của cách sắp xếp cáp 2.4.1. Cáp ngầm Khi cáp được chôn trực tiếp trong đất, cáp luôn được đặt trên mặt phẳng nằm ngang (hình 2.3a) do thuận tiện cho việc thi công mặc dù nhược điểm của phương pháp này là tổng trở tương hỗ giữa các pha không cân bằng, đồng thời cáp đặt giữa bao giờ cũng bị phát nóng nhiều hơn dẫn tới khả năng tải kém hơn. Khi cáp đặt trong hầm, chúng thường được sắp xếp theo hình tam giác (trefoil) như trên hình 2.12 để hạn chế các nhược điểm của phương pháp nằm ngang. 35 Hình 2.12. Cách bố trí cáp hình tam giác Hình 2.13. Điện áp trên vỏ cáp mạch 1 tại vị trí đảo vỏ thứ nhất trong cách bố trí tam giác Bảng 2.5. So sánh điện áp trên vỏ cáp giữa cách bố trí phẳng và tam giác Điện áp trên vỏ (kV) Vị trí đảo vỏ thứ nhất Vị trí đảo vỏ thứ hai Pha A1 B1 C1 A1 B1 C1 Phẳng 23 11,2 42,8 22,7 10,1 32,8 Tam giác 31,7 13 36,9 19,7 28,2 35 Điện áp trên vỏ cáp khi cáp bố trí tam giác được trình bày trên hình 2.13. Trị số điện áp trên các vị trí đảo vỏ với cách bố trí cáp khác nhau được so sánh trên bảng 2.5. Tương tự như các trường hợp khác, điện áp lớn nhất trên vỏ khi cáp bố trí tam giác cũng xuất hiện tại pha C1, trong trường hợp này điện áp vỏ có giá trị Vmax= 36,9 kV. Tuy nhiên ta nhận thấy trị số điện áp lớn nhất trên vỏ trong trường hợp bố trí tam giác nhỏ hơn đáng kể so với trường hợp bố trí nằm ngang (42,8 kV). Như vậy, hiện tượng tương hỗ giữa các dòng điện trong cáp cân bằng hơn ở cách bố trí tam giác không những tăng khả năng tải của cáp mà còn làm giảm điện áp cảm ứng trên vỏ khi có sét lan truyền từ đường dây trên không vào, với mức giảm điện áp trên vỏ lên tới hơn 10%. 2.4.2. Đối với cáp đi trên không Cáp đặt trong hầm cáp cũng giống như trường hợp cáp đi trên không với khoảng cách từ cáp tới đất chính là khoảng cách từ cáp tới thành của hầm cáp. Khi đặt trong hầm, cáp có thể được đặt theo phương ngang, thẳng đứng hoặc tam giác. Tuy nhiên nếu cáp đi trên cầu hoặc trên mặt đất, việc thực hiện đặt theo hình tam giác 36 là không thể thực hiện được. Trong phần này chúng ta sẽ so sánh 2 trường hợp cáp đi trên không toàn tuyến sắp xếp theo phương nằm ngang và thẳng đứng như hình 2.3. Điện áp trên vỏ cáp tại các vị trí đảo vỏ thứ nhất trong trường hợp cáp đặt thẳng đứng trong hình 2.14. Các kết quả quá điện áp các pha mạch 1 trên vỏ cáp tại 2 vị trí đảo vỏ trong 2 trường hợp cáp đặt nằm ngang và thẳng đứng ở trên không được cho trong bảng 2.6. Hình 2.14. Điện áp trên vỏ cáp mạch 1 tại vị trí đảo vỏ thứ nhất Trường hợp cáp đi trên không - thẳng đứng, điện áp trên vỏ cáp ở cả 3 pha đều vượt quá mức cách điện của vỏ cáp có thể chịu đựng được với điện áp lớn nhất trên pha C1 là Vmax= 67,8 kV. Ta nhận thấy trị số điện áp vỏ trong trường hợp cáp đi trên không- nằm ngang và thẳng đứng không khác nhau nhiều. Dạng sóng quá điện áp trên vỏ cáp, tần số dao động trong hai trường hợp này cũng giống nhau. Bảng 2.6. Điện áp trên vỏ cáp trong trường hợp cáp đi trên không theo phương khác nhau Vị trí đảo vỏ thứ nhất Vị trí đảo vỏ thứ hai Pha A1 B1 C1 A1 B1 C1 Nằm ngang 55,9 -51,1 67,7 31,5 48,1 57,2 Thẳng đứng 58 59,3 67,8 32,2 47,2 56,7 2.5. Kết luận Môi trường đặt cáp, cụ thể là môi trường để dòng điện trở về trong đất, ảnh hưởng rõ ràng đến điện áp trên cách điện vỏ. Trong chương này, điện áp trên các vị trí đảo vỏ của một đoạn cáp của đường dây truyền tải có cấu trúc hỗn hợp được tính toán với 3 môi trường đặt cáp khác nhau; cáp ngầm toàn bộ, cáp đi trên không, một phần ngầm và một phần đi trên không, được tính toán khi có dòng điện sét chạy trong lõi cáp do lan truyền từ đường dây trên không. Trong tất cả các trường hợp, điện áp trên vỏ cáp ở vị trí đảo vỏ đầu tiên luôn lớn nhất và giảm ở vị trí đảo vỏ tiếp theo trên tất cả các pha. Điện áp lớn nhất trên vỏ nguy hiểm nhất trong trường hợp toàn bộ cáp đi trên không do kết hợp giữa hiện 37 tượng dao động cộng hưởng của phần cáp đi trên không với sự gia tăng của tổng trở sóng vỏ cáp do đi trên không. Trong trường hợp cáp đi trên không, điện áp cảm ứng lớn nhất trên vỏ có thể lớn hơn 1,6 lần so với trường hợp cáp hoàn toàn đi ngầm. Giá trị điện áp cảm ứng này có thể gây nguy hiểm cho cách điện vỏ cáp và gây ra phóng điện trên vỏ cáp, dẫn đến phá hủy dần dần của cáp. Cách bố trí cáp cũng ảnh hưởng mạnh đến điện áp cảm ứng trên vỏ cáp. Trong trường hợp cáp đi ngầm, cấu hình đặt cáp dạng tam giác làm giảm điện áp trên vỏ khoảng 10% so với trường hợp cáp được đặt trên mặt phẳng. Trong trường hợp cáp đi trên không, điện áp lớn nhất trên vỏ cáp không bị ảnh hưởng bởi cấu hình đặt cáp nằm ngang hay chiều thẳng đứng. Hiện tượng cảm ứng khi cáp chạy trên cầu kim loại cũng làm cho điện áp trên vỏ cáp giảm so với trường hợp cáp đi trên cầu bê tông. Trái lại, điện áp trên lõi không bị ảnh hưởng bởi đổi môi trường đặt cáp cũng như cách sắp xếp cáp do chế độ truyền sóng đồng trục không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố này. Như vậy, khi thay đổi môi trường đặt cáp như chuyển từ đi ngầm sang đi trên không, thiết bị bảo vệ vỏ cáp (SVL) cũng như điện trở tiếp địa của vỏ cáp cần được tính toán lại để phù hợp cho cách điện vỏ đối với đoạn cáp đi trên không. Tuy nhiên, cách sắp xếp cáp không ảnh hưởng nhiều đến điện áp trên vỏ khi có dòng điện sét lan truyền vào cáp từ đường dây trên không. 38 CHƯƠNG 3. BẢO VỆ CÁCH ĐIỆN VỎ CÁP 3.1. Đặt vấn đề Đặc điểm của cáp ngầm sử dụng ở cấp truyền tải là bất kỳ loại dòng điện nào chạy trong lõi cáp (dòng tải bình thường hoặc dòng do các hiện tượng quá độ) đều gây ra điện áp cảm ứng tương đối lớn trên vỏ cáp. Đối với cáp ngầm hoàn toàn, điện áp cảm ứng trên vỏ ở mức độ nguy hiểm chủ yếu do ngắn mạch hoặc các hiện tượng quá độ do đóng cắt gây ra. Đối với đường dây truyền tải hỗn hợp, quá điện áp trên vỏ phải tính cả đến trường hợp do dòng điện sét do đường dây truyền tải trên không thường xuyên bị sét đánh và gây sự cố. Kết quả tính toán ở chương 2 cho thấy dòng điện sét chạy trong lõi cáp ở những trường hợp cụ thể đó có thể gây ra quá điện áp vượt quá mức chịu đựng của cách điện vỏ cáp. Sự khác nhau căn bản giữa cáp ngầm toàn bộ và cáp trong đường dây hỗn hợp là trị số điện trở nối đất của vỏ cáp. Đối với cáp ngầm toàn bộ, vỏ cáp sẽ được nối đất ở hai đầu của cáp và nối chung với hệ thống nối đất của trạm. Thông thường trị số nối đất này rất nhỏ do lưới nối đất của trạm có thể dễ dàng được duy trì ở giá trị dưới 0,5 Ω hoặc nhỏ hơn. Đối với cáp ở đường dây hỗn hợp, vỏ cáp ở hai đầu cáp được nối cùng với hệ thống nối đất của cột có trị số được duy trì dưới 10 Ω theo quy phạm [1]. Sự khác nhau về điện trở này làm cho biên độ điện áp lan truyền trong vỏ cáp từ hệ thống nối đất trong trường hợp đường dây hỗn hợp có thể lớn hơn 20 lần so với trường hợp cáp ngầm toàn bộ. Với các trị số điện trở kể trên ta dễ dàng ước lượng với 1 kA đi vào hệ thống nối đất của trạm chỉ tạo ra 0,5 kV lan truyền vào vỏ cáp của cáp ngầm toàn bộ, trong khi sẽ tạo ra 20 kV điện áp lan truyền vào vỏ cáp trong đường dây hỗn hợp. Mặt khác đường dây trên không có khả năng bị sét đánh cao hơn nhiều hơn so với trạm, do đó xác suất dòng điện lan truyền trong lõi cáp của cáp hỗn hợp cũng lớn hơn nhiều so với trường hợp cáp ngầm toàn bộ. Chính vì vậy điện áp trên vỏ có nguyên nhân từ sét có thể là điện áp cảm ứng do dòng điện sét lan truyền trong lõi cáp hoặc dòng điện lan truyền từ hệ thống nối đất ở đầu cáp vào vỏ hoặc xếp chồng của cả hai. Kết quả là điện áp trên vỏ ở đường dây hỗn hợp phải chịu tất cả các loại quá điện áp có thể xuất hiện trong hệ thống điện. Những lý do kể trên có thể là nguyên nhân gây ra số lần sự cố trong cáp do sét ở đường dây cấu trúc hỗn hợp lớn hơn nhiều so với cáp ngầm toàn bộ và chủ yếu xuất phát từ sự cố cách điện của vỏ cáp [31] [22]. Chính vì vậy bảo vệ cách điện cho vỏ cáp trong đường dây hỗn hợp là một trong những nội dung quan trọng nhất đối với bảo vệ chống quá điện áp cho cáp. Nội dung chương này sẽ giới thiệu các chức năng quan trọng của loại chống sét van (CSV) sử dụng cho bảo vệ quá điện áp trên cách điện vỏ cáp (SVL), các loại nối đất cho vỏ cáp và các tính toán mô phỏng chi tiết để lựa chọn loại SVL phù hợp cho đường dây hỗn hợp 220 kV trong lưới điện truyền tải Việt Nam. 39 3.2. Các loại CSV dùng cho cáp truyền tải Lắp đặt CSV ở hai đầu cáp chỉ có nhiệm vụ bảo vệ cách điện chính của cáp khi có sóng sét hoặc sóng đóng cắt lan truyền từ phía đường dây trên không vào cáp. Cách điện của vỏ phải được bảo vệ chống quá điện áp bằng một loại chống sét van khác gọi là thiết bị hạn chế điện áp vỏ (SVL). Việc lựa chọn SVL cho cáp dùng trong đường dây truyền tải hỗn hợp khác cơ bản so với lựa chọn SVL cho đường dây toàn bộ cáp ngầm do phải tính đến các thông số của sét nơi đường dây trên không đi qua và trị số điện trở nối đất của cột. Phương pháp lựa chọn CSV cho cách điện chính và SVL cho cách điện vỏ của cáp trong đường dây hỗn hợp có thể được tóm tắt như sau: • CSV bảo vệ cách điện chính của cáp là loại CSV thông thường như bảo vệ cho các thiết bị điện khác (CSV cho máy biến áp, CSV đường dây), được lắp đặt giữa dây pha và đất tại điểm nối đường dây trên không-đường dây cáp ngầm. Các tham số của loại CSV này phải thỏa mãn các yêu cầu về quá điện áp tạm thời (Temporary Overvoltage-TOV), năng lượng tiêu tán tương ứng với đường dây cáp được bảo vệ [46]. Thông thường, mức cách điện (insulation withstand level) của cáp phải lớn hơn 20% điện áp làm việc (hay còn gọi là mức bảo vệ-protective level) của CSV [65]. Đặc tính của CSV loại này phụ thuộc vào điện trở nối đất của đường dây [65], mức cách điện (Basic Insulation Level - BIL) của đường dây trên không, điện dung của đoạn cáp, các hiện tượng cộng hưởng xảy ra trên cáp [46], CSV loại này có đặc tính nằm giữa loại CSV cho trạm biến áp và CSV đường dây. • CSV dùng để bảo vệ cách điện của vỏ cáp được gọi là SVL như trình bày ở trên. CSV loại này chỉ dùng để bảo vệ phần cách điện của vỏ cáp chống quá điện áp cảm ứng gây bởi dòng điện chạy trong lõi cáp hoặc dòng điện sét lan truyền từ hệ thống nối đất ở đường dây trên không vào cáp nên có điện áp nhỏ hơn nhiều loại thứ nhất và thường được tích hợp sẵn vào các hộp kết nối (link box). Việc lựa chọn loại CSV thứ nhất tương đối rõ ràng nhưng tính toán lựa chọn SVL rất phức tạp bởi các lý do sau đây: • Điện áp làm việc liên tục lớn nhất (maximum continuous operating voltage - MCOV) của SVL phụ thuộc vào phương thức nối đất vỏ cáp (sẽ được trình bày chi tiết trong phần 3.3) như nối một đầu (single bonding), nối chéo (cross bonding) hay nối hỗn hợp giữa hai loại trên. Ngoài ra nó còn phụ thuộc cả vào điện trở nối đất vỏ cáp [2] và môi trường đặt cáp. • Lựa chọn SVL đảm bảo làm việc và tản được năng lượng do quá điện áp sét nhưng không làm việc khi có quá điện áp cảm ứng do ngắn mạch. Trị số quá điện áp cảm ứng trên vỏ cáp phụ thuộc một cách không tuyến tính vào dòng sự cố và phụ thuộc vào phương thức nối vỏ cáp [44]. Điện áp này có giá trị lớn nhất khi ngắn mạch 1 pha đối với vỏ cáp nối đất một đầu nhưng lại có trị số lớn nhất khi ngắn mạch 3 pha trong trường hợp nối chéo. SVL không chỉ dùng để bảo vệ quá điện áp trên cách điện vỏ cáp so với đất mà còn bảo vệ quá điện áp do chênh lệch điện thế (ở đây được gọi 40 là điện áp tách vỏ - hình 3.1) giữa hai phân đoạn của vỏ cáp (Sheath interruption). SVL có thể được nối dạng sao (hình 3.1) hoặc tam giác. Trong cách nối hình sao, điểm chung (common point) của hình sao có thể cách ly so với đất nếu điện trở nối đất lớn hơn 0,2  [66]. Hình 3.1. Phương pháp nối đất vỏ cáp một đầu (nối đất ở một đầu của mỗi phân đoạn) Do sự phức tạp trong tính toán điện áp trên vỏ cáp nên các tiêu chuẩn về chọn loại SVL phù hợp cho từng loại cáp vẫn chưa rõ ràng, ngay cả đối với hệ thống toàn bộ cáp ngầm. Đối với đường dây hỗn hợp, sự phức tạp này còn tăng lên do phải tính toán đến cả điện áp trên vỏ cáp khi có dòng điện sét lan truyền từ đường dây trên không vào cáp. Tiêu chuẩn IEC 60099-5 [67], IEEE 575-2014 [44] và CIGRE 07-SC 21 [66] chỉ gợi ý chọn SVL có điện áp định mức lớn hơn điện áp tạm thời lớn nhất (TOV) xuất hiện trên vỏ cáp khi có sự cố. SVL sử dụng trong cáp truyền tải đều được mặc định là loại CSV sử dụng cho cấp điện áp trong lưới điện phân phối (distribution arresters). Điều đó có nghĩa là dải điện áp định mức của SVL được lựa chọn tương đối rộng tùy vào mỗi công ty điện lực. Mặc dù vậy, IEEE 575-2014 [44] và CIGRE 283 [68] cũng gợi ý rằng giảm điện áp định mức của SVL đồng nghĩa với việc làm tăng năng lượng hấp thụ trên SVL. Sai sót trong lựa chọn SVL có thể gây hậu quả nghiêm trọng cho độ tin cậy của đường dây truyền tải [40]. Bài toán lựa chọn điện áp định mức phù hợp cho SVL là sự thỏa hiệp giữa trị số quá điện áp lớn nhất mà cách điện vỏ cáp có thể chịu đựng và năng lượng hấp thụ lớn nhất mà SVL mà không bị phá hủy. 3.3. Các phương pháp nối đất vỏ cáp Tùy vào điều kiện vận hành và đặc điểm của cáp, cách nối vỏ cáp ở cấp truyền tải có thể được thực hiện bởi một hoặc phối hợp giữa các phương pháp sau: 3.3.1. Nối cứng (Solid bonding) Vỏ cáp được nối trực tiếp xuống đất ở cả hai đầu của mỗi đoạn cáp như trong hình 3.2. Đặc điểm của loại nối vỏ này là điện áp trên vỏ được duy trì ở điện thế của đất nhưng luôn có dòng cảm ứng chạy trên vỏ dẫn đến tổn thất. Phần nhiệt do tổn thất này làm giảm khả năng tải của cáp. Phương pháp nối vỏ này chỉ phù hợp với cáp có dòng làm việc nhỏ, vì vậy chỉ được thực hiện ở lưới phân phối [2]. 41 Hình 3.2. Nối cứng 3.3.2. Nối đất một đầu (Single point bonding) Trong phương pháp này một đầu của vỏ cáp chỉ được nối đất một đầu (hình 3.3 và hình 3.4). Với cách nối này dòng điện cảm ứng trong vỏ bị triệt tiêu nên không có tổn hao trong vỏ cáp. Tuy nhiên, trị số điện áp thường trực (standing voltage) trên vỏ cáp tăng tỉ lệ thuận với khoảng cách đến điểm nối đất của vỏ cáp và dòng điện chạy trong cáp [44]. Mỗi nước có quy định [44] về điện áp thường trực lớn nhất (từ 65 V đến 250 V) tùy thuộc vào trị số dòng điện làm việc bình thường của cáp, chiều dài lớn nhất cho phép của mỗi đoạn cáp sẽ được tính toán tương ứng với giá trị điện áp thường trực lớn nhất này. Đối với phương pháp nối đất một đầu, điện áp ở đầu để hở của vỏ cáp có thể đạt trị số rất lớn khi có quá điện áp sét, quá điện áp đóng cắt hoặc dòng ngắn mạch chạy trong trong lõi cáp. Do đó, để bảo vệ cách điện của vỏ cáp, đầu để hở này phải được bảo vệ bằng cách lắp đặt SVL (hình 3.3 và hình 3.4). Ngoài ra, do vỏ bị tách ra ở mỗi đoạn cáp nên quá điện áp có thể xảy ra ở phần tách vỏ này, SVL có thể được nối để bảo vệ quá điện áp ở phần tách vỏ như trên hình 3.1. Loại nối đất này thường được thực hiện ở những đoạn cáp ngắn mà việc nối chéo không thể thực hiện được như cáp vượt sông hoặc phần còn lại của cáp sau khi đã nối chéo. Hình 3.3. Nối đất 1 đầu (2 phân đoạn) với SVL ở giữa (Kiểu 1). Hình 3.4. Nối đất 1 đầu (2 phân đoạn) với SVL ở 2 đầu (Kiểu 2). 42 3.3.3. Nối chéo (Cross bonding) Cách nối SVL ở vị trí đảo vỏ có thể tiến hành nối sao với điểm chung nối đất (hình 3.5) hoặc nối tam giác. Phương pháp này kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp nối vỏ trình bày trong phần 3.2.1 và 3.2.2. Điện áp trên mỗi vỏ là tổng điện áp cảm ứng từ 3 lõi cáp với độ lệch pha là 120o trong trường hợp dòng điện chạy trên 3 pha đối xứng. Do vỏ cáp của cả 3 pha cách ly hoàn toàn với đất nên dòng cảm ứng chạy trên vỏ cáp gần như bằng 0, điện áp cảm ứng trên vỏ bị triệt tiêu hoặc giảm xuống nhỏ nhất. Tuy nhiên, quá điện áp do sét hoặc do đóng cắt trên vỏ cáp tại các vị trí đảo vỏ và tách vỏ có thể rất lớn và vẫn cần được bảo vệ bằng SVL. Đặc điểm của loại nối vỏ này là số phân đoạn cáp phải chia hết cho 3 để được nối chéo đầy đủ. Nếu chiều dài của cáp lớn, số phân đoạn có thể không chia hết cho 3 thì phần còn lại sau khi nối chéo sẽ được nối đất một đầu như trình bày trong phần 3.3.2. Hình 3.5. Nối chéo (3 phân đoạn) với SVL nối hình sao. 3.4. Mô hình tính toán và các giả thiết Tính toán mô phỏng điện áp trên vỏ cáp được thực hiện trên đường dây 220 kV với cùng các thông số đường dây và cáp như trong chương 2 (Mục 2.2). Tại vị trí cột điện chuyển tiếp với đường dây trên không-cáp, vỏ cáp được nối chung với tiếp địa của cột với điện trở nối đất của vỏ cáp (Re) thay đổi trong dải 1 Ω đến 10 Ω. Đoạn cáp ngầm 2 mạch gồm 6 cáp đơn được bố trí trên một mặt phẳng nằm ngang như trên hình 3.6 với khoảng cách giữa mỗi các cáp đơn là 2 m. Cách điện chính của cáp được bảo vệ bằng CSV cấp 220 kV (hình 3.7). Dòng làm việc chạy trong cáp được giả thiết là 1 kA (dòng làm việc định mức điển hình của một số đường dây 220 kV lưới điện Việt Nam). Với các thông số này, ta tính được điện áp cảm ứng thường trực trên vỏ cáp là 225 V/ kA/ km. Do đó, để hạn chế điện áp thường trực không vượt quá 250 V [44], mỗi đoạn cáp không được dài quá 1,1 km khi thực hiện nối đất 1 đầu. Trong chương này, đoạn cáp 2 km được chia làm 2 phân đoạn (minor section) trong trường hợp nối đất một đầu (hình 3.3 và 3.4), hoặc 3 đoạn đối với trường hợp nối chéo (Hình 3.5). Hình 3.6. Cách bố trí cáp ngầm sử dụng trong mô phỏng 43 Hình 3.7. Đặc tính làm việc của CSV 220 kV [69] Dòng điện ngắn mạch trong lõi cáp phụ thuộc vào công suất ngắn mạch của nguồn cũng như vị trí điểm ngắn mạch. Để đơn giản ta giả thiết dòng ngắn mạch không vượt quá dòng cắt định mức của máy cắt 220 kV. Lưới điện 220 kV Việt Nam sử dụng chủ yếu máy cắt SF6 có dòng cắt định mức từ 10 kA đến 50 kA. Do vậy, dòng ngắn mạch trong tính toán điện áp trên vỏ cáp cũng được sử dụng trong dải này. 3.5. Phương pháp lựa chọn SVL bảo vệ vỏ cáp 3.5.1. Lựa chọn điện áp định mức của SVL 3.5.1.1. Điện áp định mức theo công suất ngắn mạch Để lựa chọn SVL, cần tính toán quá điện áp tạm thời trên vỏ cáp với công suất ngắn mạch khác nhau. Điện áp định mức của SVL phải lớn hơn điện áp tạm thời xuất hiện trên vỏ cáp khi sự cố [66]–[68]. Trong khuôn khổ chương này, nguồn có công suất ngắn mạch thay đổi trong dải từ 4000 MVA đến 20000 MVA tương đương với dòng cắt định mức của máy cắt đầu nguồn từ 10 kA đến 50 kA. Điện áp cảm ứng trên cách điện vỏ lớn nhất đối với nối đất một đầu trong trường hợp ngắn mạch 1 pha. Ngược lại, điện áp cảm ứng lớn nhất khi nối chéo trong trường hợp ngắn mạch 3 pha [44]. Do vậy, điện áp cảm ứng được tính toán với ngắn mạch 1 pha cho trường hợp nối đất một đầu và ngắn mạch 3 pha cho nối chéo. Do sự cố ngắn mạch trong cáp sẽ phá hỏng hoàn toàn cáp nên trong tính toán lựa chọn SVL nên chỉ cần quan tâm đến sự cố ngắn mạch xảy ra ở đường dây trên không. Các tính toán đều giả thiết sự cố ngắn mạch (SC) xảy ra trên pha A gần cột T3 (hình 2.1). Ngắn mạch xảy ra khi điện áp pha A đạt giá trị lớn nhất tương ứng với dòng ngắn mạch cực đại và thời gian ngắn mạch tồn tại 100 ms (5 chu kỳ) tương đương với thời gian cắt của máy cắt. Với giả thiết điện thế dâng trên nối đất của vỏ cáp do dòng ngắn mạch là không đáng kể, điện áp trên vỏ cáp của 3 pha tại vị trí SG112 ứng với trường hợp ngắn mạch 1 pha trong cáp có vỏ nối đất một đầu được trình bày trên hình 3.8a. Tính toán được thực hiện với điện trở nối đất vỏ Re là 4  và dòng ngắn mạch 10 kA. Kết quả tính toán cho thấy sự cố xảy ra tại thời điểm 0.02 s điện áp trên vỏ pha A tăng đột ngột (74,6 kV), sau đó giảm về điện áp thường trực với trị số khoảng 6 kV do dòng điện ngắn mạch 10 kA chạy bình thường trong cáp. Khi máy cắt làm việc sau 5 chu kỳ tính từ thời điểm ngắn mạch, điện áp trên vỏ giảm về không. Rõ ràng với điện áp này các SVL có điện áp định mức dưới 6 kV sẽ làm việc, do vậy SVL cần được lựa chọn để tính toán trong nghiên cứu này phải là loại CSV phân phối có điện áp định mức từ 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 0.00001 0.001 0.1 10 1000 100000 A rr es te r V o lt ag e ( k V ) Arrester Current (A) 44 6 kV trở lên. Tương ứng đối với nối chéo, trị số điện áp thường trực khi ngắn mạch với trị số nhỏ khoảng 1 kV (hình 3.8b) nên SVL được lựa ch