Tính toán điện áp cảm ứng vỏ cáp ngầm cao thế cách điện XLPE
Bạn đang xem tài liệu "Tính toán điện áp cảm ứng vỏ cáp ngầm cao thế cách điện XLPE", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Tài liệu đính kèm:
tinh_toan_dien_ap_cam_ung_vo_cap_ngam_cao_the_cach_dien_xlpe.pdf
Nội dung text: Tính toán điện áp cảm ứng vỏ cáp ngầm cao thế cách điện XLPE
- TÍNH TOÁN ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG VỎ CÁP NGẦM CAO THẾ CÁCH ĐIỆN XLPE CALCULATION OF INDUCED SHEATH VOLTAGE IN HIGH VOLTAGE UNDERGROUND CABLE XLPE INSULATED TS. Trần Hoàng Lĩnh(1), Nguyễn Hữu Cầu(2) (1)Đại Học Bách Khoa TP HCM (2)Trường Trung cấp GTVT Miền Nam Tóm tắt Điện áp cảm ứng vỏ trong cáp ngầm cao thế là nguyên nhân làm giảm các giá trị định mức của cáp và gây mất an toàn cho người vận hành. Tuy nhiên trong thực tế việc bố trí cấu hình lắp đặt, số mạch cáp ngầm rất đa dạng và có ảnh hưởng đến điện áp cảm ứng vỏ giáp. Do đó việc khảo sát nhằm tìm ra khoảng cách đặt cáp tối ưu trong các cấu hình lắp đặt để có điện áp cảm ứng vỏ nhỏ nhất. Bài báo này nghiên cứu, tính toán điện áp cảm ứng vỏ cho mạch đơn và mạch kép khi đặt cáp theo mặt phẳng ngang hay đỉnh tam giác đều với khoảng cách đặt cáp khác nhau. Cáp sử dụng nghiên cứu là loại có cách điện XLPE, điện áp 110 kV, lõi đơn, tiết diện 1600 mm2, được chôn ngầm trực tiếp, dòng điện qua cáp là định mức. Kết quả nghiên cứu cho thấy với đường dây mạch đơn, bố trí cấu hình tam giác đều, khoảng cách S= dt thì điện áp cảm ứng vỏ nhỏ nhất; Với đường dây mạch kép, khi bố trí mặt phẳng ngang cấu hình 2, trường hợp S= 3dt thì điện áp cảm ứng vỏ nhỏ nhất và khoảng cách giữa hai mạch dk cũng nhỏ hơn so với các trường hợp khác. Các kết quả này có thể sử dụng để đánh giá các phương pháp lắp đặt cáp phục vụ cho công tác thiết kế, thi công và vận hành tốt hơn. Từ khóa: Điện áp cảm ứng vỏ, cấu hình tam giác, cấu hình mặt phẳng ngang, cáp cách điện XLPE, cáp lõi đơn. Abstract Sheath induced voltage in high voltage underground cable is the cause of reducing the nominal value of the cable and cause unsafe for operators. But in fact the layout configuration installation, the underground cable circuits are varied and can affect the sheath induced voltage. Thus the survey to find out the optimum distance for cables in the installation configuration for sheath induced voltage smallest. This paper studies, sheath induced voltage calculation for circuit and double circuit when laying cable configuration installation trefoil and flat with different distances. Cables used to study the kind of XLPE insulation, voltage 110 kV, single-core, cross section of 1600 mm2, direct buried, current through the cables is the norminal. The study results showed that the single circuit line, trefoil configuration, spacing S= dt sheath induced voltage is the smallest; With double- circuit line, when the flat two configuration, the case S= 3dt sheath induced voltages smallest and the distance between the two circuits dk also smaller than other cases. These results can be used to evaluate the method of cable installation service of design, construction and operation better. Keywords: Sheath induced voltage, trefoil configuration, flat configuration, XLPE insulation, single-core 1. GIỚI THIỆU cảm ứng vỏ là vấn đề cần thiết để giúp cho công Điện áp cảm ứng vỏ trong cáp ngầm cao thế là tác thiết kế, vận hành được an toàn và hiệu quả. nguyên nhân làm giảm các giá trị định mức cáp Đối với cáp ngầm cao áp phần cách điện thường và gây nguy hiểm cho sự an toàn của con người. được xếp thành từng lớp đồng tâm với nhau. Vì thế việc nghiên cứu, tính toán giá trị điện áp Khi cáp mang dòng điện xoay chiều sẽ cảm ứng 1
- dòng điện ra vỏ và tạo ra dòng điện nếu vỏ tạo S23: khoảng cách hướng trục của pha 2 và 3; thành mạch kín. Trường hợp vỏ được tiếp đất ở S13: khoảng cách hướng trục của pha 1 và 3. cả hai đầu, dòng điện này không cho phép tồn 2.2 Cáp bố trí trên đỉnh tam giác đều tại vì chúng gây tổn thất nhiệt làm giảm giá trị Khi cáp bố trí trên ba đỉnh tam giác đều, S = định mức của cáp. Vì vậy phải đề ra phương 12 S23 = S13 = S, các phương trình (1) đến (3) được pháp đấu nối vỏ đặc biệt và tiếp đất sao cho hạn viết lại: chế hoặc giảm dòng điện chạy dọc vỏ cáp. √ ( ) ( ) ( ) (4) Trong bài báo này nghiên cứu tính toán và mô ( ) ( ) (5) phỏng điện áp vỏ cáp khi sử dụng cáp ngầm cao áp truyền tải dòng điện xoay chiều. ( ) ( √ ) ( ) (6) Trường hợp mạch đơn, cáp bố trí trên ba đỉnh 2.3 Cáp bố trí theo mặt phẳng ngang tam giác đều có điện áp cảm ứng vỏ ba pha bằng nhau và sẽ tăng khi khoảng cách giữa các Bố trí cáp theo mặt phẳng ngang là cách thông cáp tăng. Khi cáp được bố trí mặt phẳng ngang, dụng, khoảng cách giữa các cáp liền kề là S, điện áp cảm ứng vỏ pha 1 và pha 3 bằng nhau gradient điện áp cảm ứng trên vỏ giáp là: và lớn hơn pha 2, đồng thời điện áp cảm ứng vỏ ( ) ( √ ) (7) các pha tăng khi khoảng cách các cáp tăng. ( ) ( ) (8) Trường hợp mạch kép bố trí đối xứng, để đơn ( ) ( √ ) (9) giản có thể tính trên hai mạch song song với giả thiết [2]: Trong một mạch ba pha có ba cáp đơn, 3 TÍNH ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG VỎ MẠCH KÉP dòng điện trong các dây dẫn bằng nhau, khoảng Trường hợp này tính toán rất phức tạp, để đơn cách các pha tương ứng của mạch 1 và mạch 2 giản có thể tính trên hai mạch song song với giả đến trung tính bằng nhau. Các tính toán và mô thiết như sau [2]: phỏng được áp dụng cho cáp lõi đơn, cách điện - Trong một mạch ba pha có ba cáp đơn. XLPE, 110 kV, lõi đồng 1600 mm2, vỏ bọc sợi - Tất cả các dòng điện trong dây dẫn có độ lớn đồng, chôn trực tiếp trong đất và được bố trí bằng nhau ( IA = IB = IC = I ). tam giác đều hay mặt phẳng ngang đối xứng. - Khoảng cách các pha tương ứng của mạch 1 Kết quả tính toán và mô phỏng cho thấy khi và mạch 2 đến trung tính bằng nhau. Nghĩa là cáp bố trí mặt phẳng ngang cấu hình 2, trường khoảng cách từ cáp pha A (cáp 1) của mạch 1 hợp S= 3dt thì điện áp cảm ứng vỏ nhỏ nhất và đến trung tính bằng khoảng cách từ cáp pha a khoảng cách giữa hai mạch dk cũng nhỏ hơn so (cáp 4) của mạch 2 đến trung tính, khoảng cách với các trường hợp khác. Tuy nhiên việc bố trí các pha còn lại của hai mạch bố trí tương tự. đường dây mạch kép còn phụ thuộc vào các - Dòng điện chạy trong các dây dẫn được quy điều kiện khác như: mặt bằng lắp đặt, địa hình, định như sau: √ địa chất (Cho cáp 1 và cáp 4) 2. TÍNH ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG VỎ MẠCH ĐƠN (Cho cáp 2 và cáp 5) 2.1 Cáp bố trí bất kỳ [2] √ (Cho cáp 3 và cáp 6) Giả thiết rằng chiều quay các pha như sau: Điện áp cảm ứng từ vỏ cáp đến trung tính được I = αI ; I = α2I ; I = I(1+j0). 1 2 3 2 2 xác định theo [2] bằng các biểu thức: √ Với (10) I: là độ lớn của dòng điện tải. (11) Điện áp cảm ứng vỏ ba pha xác định: (12) √ Trong đó tổng trở hổ cảm giữa các pha được ( ) * ( ) ( )+ (1) tính như sau: √ ( ) * ( ) ( )+ (2) ; ; ; √ ( ) * ( ) ( )+ (3) ; ; Trong đó: d: đường kính trung bình vỏ giáp; -7 Với:-K: Hằng số ( k= 2.ω.10 ); S12 : Khoảng S : khoảng cách hướng trục của pha 1 và 2; 12 cách từ cáp 1 đến cáp 2 (m); S23: Khoảng cách 2
- từ cáp 2 đến cáp 3 (m); S14: Khoảng cách từ cáp ( ) ( ( ) 1 đến cáp 4 (m); S25: Khoảng cách từ cáp 2 đến ) (19) cáp 5 (m); S36: Khoảng cách từ cáp 3 đến cáp 6 √ √ (m); S15: Khoảng cách từ cáp 1 đến cáp 5 (m); S : Khoảng cách từ cáp 3 đến cáp 5 (m); S : ( ) ( 35 16 √ Khoảng cách từ cáp 1 đến cáp 6 (m); S13: Khoảng cách từ cáp 1 đến cáp 3 (m); rsm: Bán ) (20) ( ) kính trung bình vỏ cáp (m). ( ) ( Khi đó các biểu thức (10) đến (12) được viết: √ ( ) ( ) ) (21) (13) ( ) ( ) 3.2 Cáp bố trí mặt phẳng ngang ( ) ( ) (14) 3.2.1 Cấu hình 1 ( ) ( ) (15) 3.1 Cáp bố trí trên đỉnh tam giác đều 3.1.1 Cấu hình 1: Hình 2: Cáp bố trí mặt phẳng ngang, cấu hình 1 Các biểu thức (13) đến (15) được viết: ( ) ( ( ) ) (22) ( ) ( ) Hình 1: Cáp đặt tam giác đều, cấu hình 1 ( ) ( ( ) Hai mạch cáp được bố trí đối xứng nên điện áp ) (23) cảm ứng vỏ giáp từ các cáp của các pha tương ( ) ( ) ứng của hai mạch là như nhau. Các biểu thức ( ) ( ( ) (13) đến (15) được viết: ) (24) ( ) ( ) ( ( ) 3.2.2 Cấu hình 2: ) (16) Theo cách đặt này cáp 4 (pha a) và cáp 6 (pha c) √ √ của mạch 2 hoán đổi cho nhau. Các biểu thức ( ) ( (13) đến (15) được viết như sau: √ ( ) ( ) (17) ( ) ( ) ( ) ) (25) ( ) ( ( ) ( ) √ ( ) ( ( ) ) (18) ( ) ( ) ) (26) Trong đó: - d : Khoảng cách giữa hai mạch cáp ( ) ( ) k ( ) ( tính từ tâm của hai cáp gần nhất (m); d: Đường ( ) kính trung bình của vỏ giáp (m). ) (27) 3.1.2 Cấu hình 2 ( ) ( ) 4 KẾT QUẢ TÍNH VÀ MÔ PHỎNG ĐIỆN ÁP Trong cách đặt này cáp 6 (pha c) và cáp 5 (pha CẢM ỨNG VỎ b) của mạch 2 hoán đổi cho nhau. Các biểu thức Các thông số kỹ thuật của cáp sử dụng tính và mô (13) đến (15) được viết: phỏng lấy theo [5], cáp lõi đơn, cách điện XLPE được chôn trực tiếp trong đất, dòng qua cáp là định mức. Sử dụng Matlab để tính và mô phỏng. 3
- 4.1 Mạch đơn Áp dụng cho cáp 110 kV, lõi đồng 1600 mm2; d= 0,088 m; dt= 0,097 m; Iđm= 1456 A; vỏ bọc sợi đồng. Cáp chôn trực tiếp. Kết quả mô phỏng bằng đồ thị: Hình 4: Quan hệ giữa điện áp cảm ứng vỏ với dk khi bố trí tam giác đều cấu hình 1 4.2.2 Cáp bố trí mặt phẳng ngang, cấu hình 1 Kết quả mô phỏng như hình 5: Hình 3: Quan hệ giữa điện áp cảm ứng vỏ giáp với khoảng cách đặt cáp Căn cứ kết quả mô phỏng khi cáp vận hành với dòng điện định mức cho thấy: - Điện áp cảm ứng vỏ giáp tăng khi khoảng cách giữa các cáp tăng. - Với cáp cùng loại, cùng khoảng cách đặt cáp, thì điện áp cảm ứng vỏ khi bố trí theo tam giác đều sẽ nhỏ hơn khi bố trí theo mặt phẳng ngang. Hình 5: Quan hệ giữa điện áp cảm ứng vỏ giáp - Khi cáp bố trí tam giác đều, điện áp cảm ứng với dk khi bố trí mặt phẳng ngang cấu hình 1 vỏ trên ba pha bằng nhau. Căn cứ kết quả mô phỏng cáp bố trí tam giác - Khi cáp bố trí theo mặt phẳng ngang, điện áp đều và mặt phẳng ngang cấu hình 1 cho thấy: cảm ứng vỏ giáp pha 1 và pha 3 (hai pha biên) - Khi khoảng cách giữa các cáp (S) không đổi, bằng nhau và lớn hơn pha 2 (pha giữa). điện áp cảm ứng vỏ giảm dần đạt giá trị nhỏ 4.2 Mạch kép nhất ứng với khoảng cách dkx nào đó (do hổ cảm giữa hai mạch giảm) và tăng trở lại khi Áp dụng cho cáp 110 kV, lõi đồng 1600 mm2; khoảng cách giữa hai mạch tăng lớn hơn dkx ( d= 0,088 m; dt= 0,097 m; Iđm= 1456 A; vỏ bọc chỉ do ảnh hưởng của hổ cảm giữa các cáp sợi đồng. Cáp chôn trực tiếp. trong cùng một mạch). 4.2.1 Cáp bố trí tam giác đều, cấu hình 1 - Khi khoảng cách (S) giữa các cáp tăng thì vị Kết quả mô phỏng như hình 4. trí có điện áp cảm ứng vỏ nhỏ nhất dkx sẽ giảm. - Khi hai mạch cáp bố trí tam giác đều, điện áp cảm ứng vỏ trên các pha gần bằng nhau ứng với từng dk và từng khoảng cách lắp đặt cáp S. - Khi hai mạch cáp bố trí mặt phẳng ngang, điện áp cảm ứng vỏ hai pha biên gần bằng nhau và nhỏ hơn pha giữa. 4.2.3 Cáp bố trí tam giác đều, cấu hình 2 4
- Kết quả mô phỏng như hình 6: Hình 8: Quan hệ giữa điện áp cảm ứng vỏ và dk khi bố trí tam giác cấu hình 1 và 2 (S= dt) Hình 6: Quan hệ giữa điện áp cảm ứng vỏ Kết quả mô phỏng cáp đặt mặt phẳng ngang và dk khi bố trí tam giác đều cấu hình 2 như hình 9: 4.2.4 Cáp bố trí mặt phẳng ngang, cấu hình 2 Kết quả mô phỏng như hình 7: Hình 9: Quan hệ giữa điện áp cảm ứng vỏ và dk khi bố trí mặt phẳng ngang cấu hình 1 và 2 (S= 2d ) t Hình 7: Quan hệ giữa điện áp cảm ứng vỏ Căn cứ kết quả mô phỏng cáp khi bố trí trên ba và dk khi bố trí mặt phẳng ngang cấu hình 2 đỉnh tam giác đều và mặt phẳng ngang theo hai Căn cứ kết quả mô phỏng cáp bố trí tam giác cấu hình cho thấy: đều và mặt phẳng ngang cấu hình 2 cho thấy: - Điện áp cảm ứng vỏ giáp khi bố trí trên ba Dạng đồ thị tương tự như bố trí cấu hình 1, đỉnh tam giác đều (S = dt) theo hai cách đặt có nhưng với cách đặt mặt phẳng ngang cấu hình 2 giá trị xấp xỉ nhau. Pha 1 không đổi, pha 2 và khi S= 3dt thì biên độ điện áp cảm ứng vỏ và pha 3 thay đổi. Tuy nhiên điện áp cảm ứng vỏ khoảng cách dk nhỏ nhất. trung bình của cấu hình 2 lớn hơn cấu hình 1 4.2.5 So sánh điện áp cảm ứng vỏ khi bố trí tương ứng. tam giác và mặt phẳng ngang theo hai cấu - Điện áp cảm ứng vỏ giáp khi bố trí trên trên hình 1 & 2 mặt phẳng ngang (S = 3dt) theo hai cách đặt có Kết quả mô phỏng cáp đặt tam giác như hình 8: giá trị xấp xỉ nhau. Pha 1 và pha 3 không đổi, pha 2 thay đổi và xấp xỉ nhau. - Với cách đặt mặt phẳng ngang cấu hình 2 khi S= 3dt thì biên độ điện áp cảm ứng vỏ và khoảng cách dk nhỏ nhất. 5. KẾT LUẬN 5
- - Xác định được khoảng cách đặt cáp và cách thành nghiên cứu này. Cảm ơn Thầy Trần bố trí cấu hình cáp hợp lý để điện áp cảm ứng Hoàng Lĩnh đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong vỏ giáp là nhỏ nhất để đảm bảo an toàn điện suốt quá trình thực hiện nghiên cứu. tránh xảy ra tai nạn điện giật trong quá trình vận Tài liệu tham khảo đường dây cáp ngầm. Cụ thể các trường hợp triển khai thực tế áp dụng như sau: [1] Quyền Huy Ánh. Giáo trình Giải tích và mô phỏng hệ thống điện. ĐH SPKT TPHCM, 2008. + Điện áp cảm ứng vỏ tỉ lệ thuận với khoảng cách đặt cáp S. Nên trường hợp đường dây [2] IEEE Guide for Bonding Shields and Sheaths mạch đơn, bố trí cấu hình tam giác đều với of Single-Conductor Power khoảng cách S = dt thì điện áp cảm ứng vỏ là Cables Rated 5 kV through 500 kV, IEEE Std nhỏ nhất. 575™-2014. + Với đường dây mạch kép, khi bố trí theo mặt [3] Fricke, Winfried, Awad, Ray, Working phẳng ngang cấu hình 2, trường hợp S= 3dt thì Group B1.18. Special bonding of high voltage điện áp cảm ứng vỏ nhỏ nhất, khoảng cách giữa power cables. Cigre, 2005. hai mạch dk cũng nhỏ hơn so với các trường hợp khác đã khảo sát. Tuy nhiên việc bố trí [4] Jong-Beom Lee, Chae-Kyun Jung. Technical đường dây mạch kép còn phụ thuộc vào các review on parallelground continuity conductor điều kiện khác như: mặt bằng lắp đặt, địa hình, of underground cable systems. Journal of địa chất International Council on Electrical Engineering Vol. 2, No. 3, 2012. - Các kết quả đạt được của đề tài có thể được sử dụng để đánh giá các phương pháp lắp đặt cáp [5]LS-VINA Cable. Extra high voltage cable ngầm phục vụ cho công tác thiết kế, thi công và system 66-220 kV XLPE cable & vận hành tốt hơn. accessories.Internet:www.lsvinacable.com.vn/D ownload.aspx/ /1/HV_Catalogue.pdf, - Tuy nhiên trong quá trình thực hiện đề tài, tác 13/12/2014. giả chưa giải quyết các vấn đề như: [6] M.Shaban, M.A.Salam, S.P.Ang, W.Voon. + Tính toán điện áp cảm ứng vỏ trường hợp hai Calculation of sheath voltage of undergound mạch vận hành song song khi một mạch bị sự cố cables using various configurations. Internet: ngắn mạch. + Tính toán điện áp cảm ứng vỏ khi hệ thống 5553. đường dây cáp ngầm có nhiều hơn hai mạch [7] Stanislaw CZAPP, Krzysztof Do đó, để ngầm hóa đường dây tải điện trong DOBRZYNSKI, Jacek KLUCZNIK. tương lai và đảm bảo an toàn cao trong vận hành Calculation of induced sheath voltages in power đường dây thì việc giải quyết những vấn đề trên cables – single circuit system versus double là hết sức cần thiết cho những ai quan tâm circuit system. Journal of information, Control nghiên cứu sâu hơn về hệ thống cáp ngầm. and Management Systems, Vol. 12, 2014, No.2 Lới cảm ơn [8] IEC 60287-1-1. Current rating equations (100 % load factor) and calculation of losses Xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình General. 2001. của quý Thầy Cô Trường ĐH SPKT TP HCM đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn Giảng viên hướng dẫn Học viên thực hiện TS. Trần Hoàng Lĩnh Nguyễn Hữu Cầu 6
- BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ