Power Cable Manufacturers

Kiến thức ngành

Cách lớp điện áp xác định việc xây dựng cáp điện từ trong ra ngoài

Phân loại điện áp là thông số thiết kế quan trọng nhất cho một cáp điện và nó thúc đẩy các quyết định xây dựng ở mọi lớp — dây dẫn, lớp cách nhiệt, tấm chắn và vỏ bọc. Cáp điện được chia thành điện áp thấp (LV, đến 1 kV), trung thế (MV, 1 kV đến 35 kV) và điện áp cao (HV, trên 35 kV). Mỗi bước tăng cấp điện áp đều đưa ra các yêu cầu xây dựng không chỉ đơn thuần là tăng độ dày thành cách nhiệt.

Ở mức điện áp thấp, chức năng cách điện chính là ngăn chặn sự tiếp xúc với các dây dẫn mang điện và chịu được độ dốc điện trường khiêm tốn hiện có. Tường cách điện PVC và XLPE 0,7–1,0 mm là đủ cho cáp định mức 0,6/1 kV. Sự phân bố điện trường ở điện áp này tương đối đồng đều và không yêu cầu các lớp phân loại trường. Tuy nhiên, cáp trung thế hoạt động dưới cường độ điện trường trong đó nồng độ trường ở bề mặt dây dẫn không đều - các cạnh sợi, quá trình oxy hóa bề mặt, các phần nhô ra cực nhỏ - có thể bắt đầu phóng điện một phần làm xói mòn lớp cách điện theo thời gian. Đây là lý do tại sao cáp MV cần có màn chắn dây dẫn: một lớp hợp chất bán dẫn được phủ trực tiếp lên dây dẫn để làm phẳng điện trường bằng cách tạo ra bề mặt đẳng thế đồng đều, liên tục cho lớp cách điện. Màn chắn cách nhiệt tương ứng trên bề mặt ngoài của lớp cách nhiệt thực hiện chức năng tương tự ở bề mặt tiếp xúc cách điện-tấm chắn.

Màn chắn cách điện trong cáp trung thế phải được liên kết (không thể tháo rời) hoặc bán liên kết (có thể tháo rời) tùy thuộc vào phương pháp kết cuối. Màn chắn không thể tách rời đòi hỏi phải có dụng cụ cắt và kỹ thuật cẩn thận ở các đầu cáp để tránh làm xước bề mặt cách điện; Màn hình có thể tháo rời cho phép lớp bán dẫn được bong ra một cách sạch sẽ, nhưng đưa ra một bề mặt xác định phải được quản lý để ngăn hơi ẩm xâm nhập vào ranh giới cách điện của màn hình. Ở điện áp trên 15 kV, màn chắn kim loại trên màn chắn cách điện phải mang toàn bộ dòng sạc điện dung của cáp, điều này trở nên đáng kể khi chạy cáp dài - một hệ số xác định mặt cắt ngang của dây dẫn màn chắn một cách độc lập với mọi yêu cầu về dòng điện sự cố.

So sánh cách điện XLPE và EPR trong các ứng dụng cáp điện trung thế

Đối với trung thế cáp điện Như vậy, việc lựa chọn giữa vật liệu cách nhiệt bằng polyetylen liên kết ngang (XLPE) và cao su ethylene propylene (EPR) là một trong những quyết định quan trọng nhất về vật liệu và nó thường được thực hiện chỉ dựa trên giá cả - điều này luôn dẫn đến sự không phù hợp về hiệu suất trong các môi trường đòi hỏi khắt khe. Mỗi vật liệu có một hồ sơ hiệu suất thực sự khác nhau phù hợp với các điều kiện ứng dụng cụ thể.

Sự khác biệt đáng kể nhất về mặt thực tế giữa hai vật liệu là khả năng chống nước của cây. Cây nước là các kênh phân hủy đuôi gai lan truyền qua vật liệu cách nhiệt gốc polyetylen khi có độ ẩm và ứng suất điện trường xoay chiều. XLPE tiêu chuẩn dễ bị ảnh hưởng bởi sự hình thành cây trong nước trong thời gian sử dụng từ 10–20 năm ở những nơi lắp đặt ẩm ướt hoặc chôn trực tiếp. Các hợp chất XLPE làm chậm cây (TR-XLPE) có chất phụ gia ức chế sự khởi đầu của cây có sẵn và được sử dụng rộng rãi trong cáp phân phối tiện ích, nhưng chúng làm tăng thêm chi phí và yêu cầu nhà sản xuất phải tìm nguồn và xác định các công thức hợp chất cụ thể. EPR, là một hợp chất cao su có cấu trúc phân tử và đặc tính thấm ẩm khác nhau về cơ bản, có khả năng chống lại sự hình thành cây trong nước mà không cần thêm chất phụ gia. Đối với cáp được lắp đặt trong các ứng dụng chôn trực tiếp, ống dẫn ngập nước hoặc dưới biển, khả năng chống ẩm của EPR khiến nó trở thành lựa chọn đúng đắn về mặt kỹ thuật bất kể chi phí cao hơn.

Hằng số điện môi thấp hơn của XLPE mang lại cho nó lợi thế về hiệu suất truyền tải khi chạy cáp dài ở điện áp trung bình và cao, vì dòng sạc điện dung - chạy ngay cả khi không kết nối tải - tỷ lệ thuận với hằng số điện môi. Trong các hệ thống cáp mà dòng sạc chiếm một phần đáng kể trong độ khuếch đại nhiệt của cáp (thường là cáp dài hơn 10–15 km ở 33 kV), εr thấp hơn của XLPE sẽ chuyển trực tiếp thành khả năng mang tải có thể sử dụng.

Lựa chọn vỏ bọc cho cáp điện: So sánh dây thép, băng thép và dây nhôm

Cần phải có lớp bảo vệ cơ học thông qua lớp bọc thép bất cứ khi nào cáp điện phải chịu được ứng suất lắp đặt - lực kéo, lực nén do san lấp, tác động từ máy đào hoặc áp lực từ cáp đặt lên các kết cấu đỡ trên các nhịp dài. Việc lựa chọn loại vỏ bọc không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất cơ học mà còn ảnh hưởng đến hoạt động điện xoay chiều, trọng lượng và khả năng chống ăn mòn của cáp theo những cách thường bị bỏ qua ở giai đoạn thông số kỹ thuật.

Áo giáp dây thép (SWA)

Áo giáp dây thép bao gồm các dây thép không gỉ hoặc mạ kẽm riêng lẻ được áp dụng xoắn ốc trên một lớp đệm bên dưới lớp áo khoác ngoài. SWA cung cấp độ bền kéo cao nhất so với bất kỳ loại vỏ bọc nào, khiến nó trở thành lựa chọn chính xác cho các loại cáp chịu lực kéo dọc trục đáng kể trong quá trình lắp đặt — chẳng hạn như cáp được kéo qua ống dẫn trên khoảng cách xa hoặc cáp ngầm dưới nước chịu lực căng khi lắp đặt. Số lượng và đường kính dây được chọn để đạt được tải trọng mục tiêu; đối với cáp điện lớn, có thể đạt được tải trọng cắt SWA từ 50–200 kN. Tuy nhiên, lớp giáp dây thép trên cáp nguồn AC lõi đơn tạo ra cơ chế tổn thất từ ​​tính đáng kể: lớp giáp tạo thành một mạch từ kín xung quanh dây dẫn mang dòng điện và dòng điện cảm ứng trong dây bọc thép tạo ra nhiệt. Trong cáp một lõi, tổn hao SWA có thể lên tới 30–50% tổn hao dây dẫn, làm giảm nghiêm trọng độ khuếch đại hiệu dụng. Vì lý do này, cáp AC lõi đơn có tiết diện dây dẫn trên khoảng 70 mm² nên sử dụng áo giáp dây nhôm (AWA) thay vì thép.

Giáp băng thép (STA)

Áo giáp băng thép sử dụng hai băng thép chồng lên nhau được áp dụng theo hướng ngược nhau để cung cấp khả năng chống nén xuyên tâm và bảo vệ chống lại lực nghiền. STA nhẹ hơn SWA và tiết kiệm hơn, nhưng cung cấp độ bền kéo tối thiểu - nó không được xếp hạng để lắp đặt kéo và sẽ giải nén dưới tải trọng trục. STA thích hợp cho cáp chôn trực tiếp trong nền đất ổn định, nơi mà việc bảo vệ cơ học chống lại tác động ngẫu nhiên và sự tấn công của loài gặm nhấm là mối quan tâm hàng đầu nhưng không dự đoán được lực kéo đáng kể. Cấu trúc băng trên băng cũng cung cấp độ che phủ kém đồng đều hơn so với áo giáp dây, để lại những khoảng trống xoắn ốc giữa các lớp băng nơi lực tác động tập trung có thể xuyên qua.

Áo giáp dây nhôm (AWA)

Áo giáp dây nhôm về mặt cơ học tương đương với SWA về hiệu suất kéo (với đường kính dây lớn hơn một chút để bù cho độ bền kéo thấp hơn của nhôm) nhưng loại bỏ vấn đề mất từ tính trong cáp AC lõi đơn. Vì nhôm không có từ tính nên AWA không tạo thành mạch từ xung quanh dây dẫn và không tạo ra tổn thất dòng điện cảm ứng đáng kể. AWA cũng nhẹ hơn đáng kể so với SWA — mật độ nhôm xấp xỉ 1/3 mật độ thép — giúp giảm trọng lượng lắp đặt và lực kéo cáp trong các hệ thống lắp đặt lớn. Sự đánh đổi là khả năng chống ăn mòn trong môi trường đất có tính xâm thực hóa học: áo giáp nhôm đòi hỏi lớp nền và lớp bảo vệ bên ngoài chắc chắn trong đất có tính axit hoặc khu vực có hoạt động điện hóa, nơi ăn mòn điện giữa áo giáp nhôm và bất kỳ kết cấu thép tiếp xúc nào có thể gây ra sự xuống cấp nhanh chóng của áo giáp.

Xếp hạng dòng điện ngắn mạch: Ý nghĩa và cách tính toán cho cáp điện

Mỗi cáp nguồn có hai mức định mức dòng điện riêng biệt mà cả hai đều phải được đáp ứng trong bất kỳ quá trình lắp đặt nào: mức định mức dòng điện liên tục (dòng điện) đối với hoạt động bình thường và mức định mức dòng điện ngắn mạch đối với các tình trạng lỗi. Định mức ngắn mạch thường không có trong các quy trình lựa chọn cáp đơn giản, tuy nhiên, một cáp không thể tồn tại trước dòng điện sự cố tiềm ẩn tại điểm lắp đặt của nó có thể bị cháy và gây ra hỏa hoạn, hư hỏng thiết bị và nguy hiểm cho con người trong sự kiện lỗi đầu tiên.

Định mức dòng điện ngắn mạch được tính toán dựa trên giả định đốt nóng đoạn nhiệt: trong thời gian xảy ra sự cố ngắn (thường là 0,1 đến 3 giây trước khi thiết bị bảo vệ loại bỏ sự cố), về cơ bản tất cả năng lượng sự cố sẽ làm nóng dây dẫn vì không có đủ thời gian để truyền nhiệt đáng kể đến lớp cách điện hoặc môi trường xung quanh. Phương trình tăng nhiệt độ đoạn nhiệt liên quan đến dòng điện ngắn mạch cho phép (I), tiết diện dây dẫn (S), thời gian sự cố (t) và hằng số vật liệu của dây dẫn:

Nhiệt độ cao nhất cho phép của dây dẫn khi xảy ra sự cố được giới hạn bởi vật liệu cách điện: XLPE và EPR cho phép nhiệt độ dây dẫn ngắn mạch tối đa là 250°C (từ nhiệt độ ban đầu khi hoạt động liên tục tối đa là 90°C), trong khi cáp cách điện PVC được giới hạn ở 160°C hoặc 140°C tùy thuộc vào mặt cắt ngang của dây dẫn. Những giới hạn này tồn tại vì việc vượt quá chúng sẽ gây ra hư hỏng cách điện không thể khắc phục được - tan chảy, cacbon hóa hoặc mất tính toàn vẹn về mặt cơ học - ngay cả khi bản thân dây dẫn vẫn tồn tại. Các tiêu chuẩn IEC 60364-5-54 và IEC 60949 cung cấp các hằng số cụ thể cho dây dẫn đồng và nhôm với các hệ thống cách điện khác nhau.

Một khía cạnh quan trọng và thường bị bỏ qua của đánh giá ngắn mạch là nó phải được kiểm tra dựa trên dòng điện sự cố tiềm ẩn tối đa tại điểm lắp đặt cáp chứ không phải tại điểm cung cấp. Dòng điện sự cố dự kiến ​​giảm theo khoảng cách từ nguồn do trở kháng của cáp và máy biến áp xen vào. Cáp cách máy biến áp 200 mét sẽ có dòng điện sự cố thấp hơn cáp ở đầu cực máy biến áp, cho phép tiết diện nhỏ hơn để đáp ứng yêu cầu ngắn mạch ở vị trí xa hơn. Thực hiện phép tính này ở mỗi đoạn cáp thay vì áp dụng một giá trị bảo toàn duy nhất trong toàn hệ thống có thể giảm đáng kể các yêu cầu về tiết diện dây dẫn và chi phí lắp đặt tổng thể.

Cáp điện chống cháy không chứa halogen: Chúng được yêu cầu ở đâu và các tiêu chuẩn thực sự kiểm tra những gì

Thông số kỹ thuật của cáp chống cháy không chứa halogen (HFFR) hoặc ít khói halogen (LSHF/LS0H) ngày càng trở nên phổ biến trong các dự án xây dựng và cơ sở hạ tầng, nhưng thông số kỹ thuật này thường được áp dụng mà không hiểu đầy đủ về những gì các thử nghiệm đằng sau thước đo chỉ định — và những gì chúng không đo lường.

Cáp cách điện PVC tiêu chuẩn khi đốt sẽ giải phóng khí hydro clorua (HCl) do clo trong hợp chất PVC phản ứng với các sản phẩm cháy. HCl là chất ăn mòn, làm hỏng thiết bị điện tử ngay cả ở nồng độ thấp hơn nhiều so với nồng độ gây độc cho con người. Trong không gian kín - đường hầm, tàu thủy, trung tâm dữ liệu, hệ thống giao thông ngầm - HCl thoát ra từ dây cáp cháy có thể phá hủy các hệ thống điện tử trong không gian và khiến môi trường bị ăn mòn trong nhiều tháng sau khi xảy ra hỏa hoạn. Các hợp chất HFFR thay thế PVC bằng vật liệu gốc polyolefin chứa chất độn chống cháy hydroxit kim loại (thường là nhôm trihydrat hoặc magie hydroxit), giải phóng hơi nước khi đun nóng và làm mát vùng đốt mà không tạo ra khí axit.

Các tiêu chuẩn chính quản lý hiệu suất cáp HFFR bao gồm:

• IEC 60332-1 (Lây lan ngọn lửa cáp đơn): Kiểm tra xem một sợi cáp có tự tắt khi ngọn lửa xác định được áp dụng trong 60 giây hay không. Đây là ngưỡng tối thiểu mà hầu như tất cả các loại cáp có chứa chất chống cháy đều có thể vượt qua. Việc vượt qua bài kiểm tra này không cho thấy hiệu suất trong quá trình lắp đặt thực tế với các cáp được nhóm lại.
• IEC 60332-3 (Sự lan truyền ngọn lửa của cáp được nhóm - Loại A, B, C, D): Kiểm tra bó cáp được lắp đặt trên khay thang dưới ngọn lửa xác định trong 20 phút. Loại A đại diện cho thể tích cáp được lắp đặt cao nhất (7 lít trên mét) và có yêu cầu khắt khe nhất. Đạt Loại A IEC 60332-3 là một chỉ báo có ý nghĩa về hiệu suất lan truyền ngọn lửa trong lắp đặt khay cáp thực tế.
• IEC 60754-1 và -2 (Hàm lượng halogen): Kiểm tra sự phát thải khí axit và độ pH của khí đốt. Cáp đạt tiêu chuẩn IEC 60754-2 có độ pH trên 4,3 và độ dẫn điện dưới 10 μS/mm trong thử nghiệm đốt cháy, xác nhận hàm lượng halogen thấp. Đây là thử nghiệm phân biệt HFFR với cáp PVC chống cháy tiêu chuẩn.
• IEC 61034 (Mật độ khói): Đo độ truyền ánh sáng qua khói từ mẫu cáp đang cháy trong buồng thử nghiệm 3 m × 3 m × 3 m. Độ truyền qua tối thiểu 60% là ngưỡng để chỉ định mức khói thấp, liên quan đến tầm nhìn sơ tán trong các vụ cháy tòa nhà.

Một sắc thái quan trọng là "chất chống cháy" và "không chứa halogen" là những đặc tính độc lập có thể được kết hợp hoặc không được kết hợp trong một cáp nhất định. Cáp có thể không có halogen nhưng không có chất chống cháy đặc biệt (polyolefin nguyên chất không có chất độn chống cháy) hoặc chất chống cháy nhưng không có halogen (FR-PVC tiêu chuẩn). Việc chỉ định LSHF hoặc HFFR yêu cầu đồng thời cả hai thuộc tính và tài liệu mua sắm phải tham chiếu các tiêu chuẩn kiểm tra IEC cụ thể phải được thông qua thay vì chỉ dựa vào ghi nhãn vì các thuật ngữ này không được xác định thống nhất trên các thị trường.

Thiết kế cáp điện tùy chỉnh: Chuyển các yêu cầu ứng dụng thành thông số kỹ thuật xây dựng

Việc mua sắm cáp điện tùy chỉnh bắt đầu bằng việc xác định các yêu cầu vượt xa việc chỉ định định mức điện áp và tiết diện dây dẫn. Cáp nguồn tùy chỉnh được chỉ định phù hợp bao gồm sáu nhóm tham số phụ thuộc lẫn nhau, mỗi nhóm giới hạn không gian thiết kế dành cho nhà sản xuất:

• Thông số điện: Điện áp hệ thống (U0/U), dòng điện liên tục tối đa ở điều kiện lắp đặt dự định (không phải độ khuếch đại không khí tự do), dòng điện ngắn mạch dự kiến và thời gian giải quyết sự cố cũng như bất kỳ hạn chế nào về chất lượng điện như hàm lượng sóng hài ảnh hưởng đến kích thước trung tính.
• Điều kiện lắp đặt cơ khí: Phương pháp lắp đặt (chôn trực tiếp, ống dẫn, khay cáp, trên không, tàu ngầm), lực kéo trong khi lắp đặt, bán kính uốn cong tối thiểu, liệu cáp có chuyển động liên tục sau khi lắp đặt hay không và mọi hạn chế về trọng lượng hoặc đường kính do tỷ lệ lấp đầy ống dẫn hoặc giới hạn tải khay cáp.
• Tiếp xúc với môi trường: Phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh, độ ẩm và khả năng tiếp xúc với nước, thời gian và cường độ tiếp xúc với tia cực tím, tiếp xúc hóa học (liệt kê các chất cụ thể), điện trở suất của đất đối với cáp chôn (ảnh hưởng đến cả yêu cầu về cường độ dòng điện và khả năng chống ăn mòn) và liệu có cần bảo vệ khỏi sự tấn công của loài gặm nhấm hay không.
• Yêu cầu về hiệu quả chữa cháy: Liệu việc lắp đặt có yêu cầu hạn chế lan truyền ngọn lửa (loại IEC 60332), tính toàn vẹn của mạch khi có lửa (IEC 60331 — dành cho cáp phải tiếp tục hoạt động trong khi xảy ra hỏa hoạn, chẳng hạn như cấp nguồn điện khẩn cấp), giới hạn khí axit (IEC 60754) hay giới hạn mật độ khói (IEC 61034).
• Yêu cầu về quy định và chứng nhận: Cáp phải đáp ứng các tiêu chuẩn quốc gia hoặc khu vực nào (IEC, BS, UL, CSA, GB/T) và liệu có cần chứng nhận của bên thứ ba từ nhà thử nghiệm được công nhận đối với cấu trúc cụ thể được đặt hàng thay vì cáp tham chiếu tương tự hay không.
• Kỳ vọng tuổi thọ sử dụng: Tuổi thọ thiết kế 20, 30 hoặc 40 năm ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu cách nhiệt (tốc độ lão hóa nhiệt XLPE so với EPR) và mức độ thử nghiệm lão hóa cấp tốc cần thiết để xác nhận thiết kế. Cáp dành cho các ứng dụng cơ sở hạ tầng thường được quy định có tuổi thọ sử dụng là 40 năm, yêu cầu dữ liệu về nguồn gốc vật liệu cách điện chứng minh độ ổn định nhiệt lâu dài.

Khi tất cả sáu nhóm tham số được xác định, nhà sản xuất có thể phát triển một cấu trúc thỏa mãn từng ràng buộc mà không cần kỹ thuật quá mức bất kỳ phần tử riêng lẻ nào. Yêu cầu quá cao ở một khu vực trong khi lại không xác định rõ ở khu vực khác là lỗi thường gặp khi mua cáp tùy chỉnh: người mua chỉ định lớp bọc thép để có độ bền kéo tối đa nhưng bỏ qua môi trường tiếp xúc với hóa chất có thể nhận được cáp bọc thép bị ăn mòn trong vòng ba năm trong đất công nghiệp có tính axit, mặc dù đáp ứng mọi thông số kỹ thuật đã nêu.

Các phương pháp liên kết chắn trong cáp điện trung thế và ảnh hưởng của chúng đến tổn thất và an toàn

Màn chắn hoặc vỏ bọc kim loại của cáp điện trung thế phục vụ hai mục đích: nó cung cấp đường quay trở lại cho dòng sạc điện dung và dòng điện sự cố, đồng thời nó giới hạn điện trường bên ngoài cáp ở mức gần bằng 0, bảo vệ con người và thiết bị lân cận. Cách liên kết màn chắn ở các đầu và khớp cáp — phương pháp liên kết màn chắn — có tác động lớn và thường bị đánh giá thấp đến khả năng sinh nhiệt, độ khuếch đại và an toàn nhân sự của hệ thống cáp.

Trong hệ thống liên kết một điểm, màn chắn cáp chỉ được nối với đất ở một đầu, để đầu đối diện nổi (hoặc được nối với đất thông qua thiết bị chống sét lan truyền). Điều này ngăn dòng điện tuần hoàn chạy qua màn hình — nguồn chính gây tổn thất màn hình trong các hệ thống được liên kết chắc chắn — và có thể tăng cường độ khuếch đại của cáp lên 10–30% so với liên kết rắn, vì tổn thất I²R trong màn hình được loại bỏ. Sự đánh đổi là điện áp tích tụ dọc theo màn hình từ đầu nối đất đến đầu không nối đất dưới tải bình thường. "Điện áp vỏ bọc cảm ứng" này tăng theo chiều dài cáp, dòng tải và khoảng cách giữa các pha và phải được tính toán để xác minh rằng nó vẫn nằm trong giới hạn an toàn đối với nhân viên có thể tiếp xúc với đầu màn hình không được nối đất trong khi vận hành trực tiếp. Đối với hệ thống cáp dài, điện áp cảm ứng ở đầu hở có thể đạt tới hàng trăm volt khi đầy tải, đòi hỏi phải quản lý cẩn thận khả năng tiếp cận đầu cuối màn hình và sử dụng bộ hạn chế điện áp tăng vọt để ngăn ngừa quá điện áp trong quá trình chuyển đổi quá độ hoặc tình trạng lỗi.

Liên kết chéo được sử dụng trong các hệ thống cáp dài được chia thành ba phần nhỏ gần bằng nhau. Màn hình của ba pha cáp được chuyển vị tại mỗi khớp phần nhỏ — màn hình pha A kết nối với màn hình pha B, pha B đến pha C, pha C đến pha A — sao cho trên ba phần nhỏ, mỗi màn hình nhìn thấy một phần ba đóng góp điện áp chuỗi dương từ mỗi pha. Nếu các phần có chiều dài bằng nhau, thì điện áp cảm ứng trong ba đoạn màn chắn sẽ gần như triệt tiêu hoàn toàn, dẫn đến dòng điện tuần hoàn trên màn hình gần như bằng 0 và điện áp cảm ứng gần bằng 0 ở các đầu phần chính. Liên kết chéo kết hợp lợi thế tổn thất thấp của liên kết một điểm với lợi thế điện áp thường trực thấp của liên kết rắn, khiến nó trở thành phương pháp được ưu tiên cho các mạch cáp dài hơn khoảng 500 mét ở 11 kV trở lên. Nó đòi hỏi độ phức tạp cài đặt cao hơn — sáu kết nối màn hình ở mỗi khớp thay vì một — và cân bằng độ dài phần cẩn thận trong quá trình thiết kế.