Đăng ký thành viên

Bộ giới hạn điện áp vỏ kim loại bảo vệ cáp điện HV

04/04/2024 10:49 Số lượt xem: 8

---

Hộp liên kết (Ảnh st)

Trong thập kỷ qua, nhu cầu về các đường dây dài hơn và công suất dòng điện cao hơn đối với cáp điện áp cao (HV) đã đòi hỏi các phương pháp ngăn ngừa tổn thất mới. Đồng thời, việc đảm bảo độ tin cậy cao của các đường dây điện này ngày càng quan trọng hơn. Cùng với nhau, những phát triển này đã thúc đẩy mạnh mẽ việc áp dụng biện pháp chống sét trên các mạng lưới cáp ngầm.

Bài viết này giải thích sơ đồ bảo vệ chống sét được cung cấp bởi các bộ giới hạn điện áp vỏ kim loại (SVL) – những thiết bị được thiết kế để bảo vệ vỏ cáp khỏi các ứng suất điện trong các sự kiện quá độ. Do cáp điện áp cao ngày nay có nhiều loại và nhiều thiết kế khác nhau trên thị trường nên để đơn giản, trọng tâm là cáp HV một ruột dẫn có vỏ kim loại bảo vệ và vỏ ngoài polyme.

Hình 1: Cáp HV một ruột dẫn cho thấy vỏ ngoài bảo vệ polyme có thể yêu cầu bảo vệ chống sét (Ảnh st)

Giới thiệu

Sự tăng trưởng trong việc lắp đặt cáp ngầm đã tập trung nhiều sự chú ý hơn vào một số tác động môi trường tiêu cực tiềm ẩn của chúng. Do cáp thường được lắp đặt với các vỏ kim loại bảo vệ nên dòng điện được cảm ứng trên vỏ bọc này từ dây dẫn chính và truyền trực tiếp xuống đất, chiếm 100% tổn thất năng lượng. Trong quá trình này, nó cũng có thể làm tăng nhiệt độ của cáp, điều này sau đó trở thành yếu tố hạn chế năng lực quá tải của hệ thống.

Một phương pháp phổ biến để giảm các tổn thất như vậy là phân đoạn lớp vỏ kim loại bảo vệ (như thể hiện trên Hình 2). Tuy nhiên, nếu sử dụng phân đoạn để làm gián đoạn dòng điện cảm ứng trong lớp vỏ kim loại thì cũng phải thực hiện các biện pháp để giới hạn điện áp cảm ứng trên lớp vỏ kim loại trong các sự kiện quá độ. Nếu không, vi phân điện áp giữa vỏ kim loại và đất có thể vượt quá khả năng chịu đựng của vỏ bọc cáp, dẫn đến đánh thủng. Điều này có thể trở thành điểm để hơi ẩm xâm nhập, có thể dẫn đến các vấn đề lâu dài về điện môi và sự cố.

Hình 2: Giảm tổn thất trong các hệ thống cáp bằng cách sử dụng phân đoạn và bộ giới hạn điện áp vỏ kim loại (Ảnh st)

Hệ thống lắp đặt SVL điển hình (Ảnh st)

Hình 3: Cấu hình điển hình của cáp, SVL và bộ chống sét pha trên cột chuyển tiếp với SVL được lắp gần đáy đầu nối cáp (Ảnh st)

Mặc dù có nhiều cấu hình được sử dụng để giảm tổn thất trong các hệ thống cáp, (bao gồm liên kết chéo các vỏ kim loại và đảo pha các dây dẫn pha) nhưng việc phân đoạn cùng với bảo vệ chống sét của vỏ cáp được coi là hiệu quả nhất. Trong trường hợp này, hộp liên kết là một hộp nối kín được sử dụng rộng rãi, đặt trong miệng cống hoặc tủ và có chứa thiết bị chống sét cũng như một điểm để liên kết chéo các vỏ kim loại. Hình 4 thể hiện cách bố trí hộp liên kết điển hình cung cấp vị trí cho bộ giới hạn điện áp lưới điện cũng như liên kết chéo của vỏ kim loại. Các dây dẫn pha không đi vào hộp liên kết mà chỉ đi vào vỏ kim loại hoặc phần mở rộng của vỏ kim loại bọc.

Hình 4: Hộp liên kết có 3 SVL và các vỏ kim loại được liên kết chéo (Ảnh st)

SVL

Bộ giới hạn điện áp vỏ kim loại (SVL) về cơ bản là một thiết bị chống sét sử dụng một thuật ngữ khác. Nó hoạt động như một thiết bị chống sét và trong hầu hết các trường hợp, trên thực tế là một thiết bị chống sét phân phối được dán nhãn lại.

Hai ví dụ về các bộ giới hạn điện áp lưới điện được thể hiện trên Hình 5 và 6. Trong Hình 5, bộ chống sét này không có vỏ vì thiết kế đặc biệt này chỉ nhằm mục đích sử dụng trong môi trường khô ráo của một hộp liên kết. Ngược lại, mô hình SVL thể hiện trên Hình 6 có vỏ tương tự như thiết bị chống sét vì nó được thiết kế để sử dụng ngoài trời.

Hình 5: Bộ giới hạn điện áp vỏ kim loại có thông số danh định điển hình từ 0,8 đến 4,8kV U_c (điện áp làm việc liên tục tối đa MCOV) được sử dụng bên trong các hộp liên kết (Ảnh st)

Hình 6: Bộ giới hạn điện áp vỏ kim loại có các thông số danh định điển hình 4-14kV U_c (MCOV) để sử dụng ngoài trời (Ảnh st)

Chọn SVL

Như đã nêu trước đó, mục đích chính của bộ giới hạn điện áp vỏ kim loại là để kẹp hoặc hạn chế ứng suất điện áp trên vỏ cáp. Nếu vỏ kim loại được nối đất ở cả hai đầu thì ứng suất điện áp trên vỏ cáp khá thấp trong trạng thái ổn định và cũng tương đối thấp trong trạng thái quá độ. Tuy nhiên, nếu cáp được phân đoạn để giảm tổn thất hoặc nếu có các hộp liên kết dọc theo cáp tại các vị trí đảo pha hoặc liên kết chéo thì điều quan trọng là phải lắp đặt các SVL ở đây để loại bỏ mọi nguy cơ đánh thủng cách điện của vỏ cáp hoặc hộp liên kết.

Không có phương pháp tiêu chuẩn nào được Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) hoặc Hiệp hội Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) quy định để lựa chọn thông số tối ưu cho việc bảo vệ vỏ kim loại/vỏ cáp. Do đó, phương pháp sau đây được đề xuất dựa trên sự thảo luận với các nhà cung cấp cáp, các nhà cung cấp thiết bị chống sét và với sự hỗ trợ của mô hình quá độ của hệ thống để xác định ảnh hưởng của đột biến trong quá trình quá độ.

Hình 7: Bước khuyến cáo sử dụng để xác định thông số danh định của SVL (Ảnh st)

Phân tích này giả định phân đoạn vỏ kim loại là một liên kết điểm duy nhất (nối đất ở một đầu của lưới điện) và một điểm mở ở đầu kia.

Điện áp vỏ kim loại từ các nguồn tần số nguồn

Do vỏ kim loại của cáp nằm rất gần dây dẫn nên điện áp xuất hiện trên vỏ kim loại hở có thể lớn đáng kể và liên quan trực tiếp đến dòng điện chạy qua dây dẫn pha. Mối quan hệ này áp dụng trong trạng thái ổn định cũng như trong các chạm chập.

Hình 8 mô tả một ví dụ trong đó sự cố 17kA tạo ra 3.800V_rms trên vỏ kim loại. Lý do phổ biến nhất trong việc lựa chọn thiết bị chống sét để bảo vệ vỏ kim loại là chọn SVL có mức tăng cao hơn điện áp tần số nguồn gây ra trong trường hợp xấu nhất. Điều này có nghĩa là SVL không cần tiêu tán bất kỳ năng lượng nào trong quá trình quá điện áp tạm thời (TOV) do chạm chập gây ra. Đối với các thiết bị chống sét trên cao, đây thường không phải là quy tắc và trong những trường hợp đó, các thiết bị chống sét được định cỡ để dẫn dòng điện trong TOV nhưng không đủ để khiến nó bị hỏng. Cơ sở lý luận về định cỡ trên không bằng cách sử dụng năng lực TOV của một thiết bị chống sét không được dùng để lựa chọn SVL trừ khi cần thiết để đạt được mức lề bảo vệ tốt hơn.

Hình 8: Ví dụ về điện áp vỏ kim loại trong quá trình chạm chập 27kA trên cáp cấu hình cỏ ba lá (Ảnh st)

Tính toán điện áp vỏ kim loại

Gradient điện áp ở trạng thái ổn định là điện áp sẽ xuất hiện dọc theo vỏ kim loại dài 1km với dòng điện 1.000A chạy liên tục và là hàm của cấu hình cáp trong rãnh cũng như kích thước của nó. Có hai cấu hình rãnh cơ bản: hình cỏ ba lá, bao gồm ba dây cáp được đặt cách đều nhau sao cho mặt cắt ngang của chúng tạo thành một tam giác đều; và cấu hình phẳng trong đó tất cả các cáp được đặt sao cho chúng nằm trong cùng trong một mặt phẳng và cùng khoảng cách với nhau.

Nếu nhà chế tạo cáp không cung cấp gradient điện áp cho cấu hình được sử dụng thì nó có thể được tính bằng các phương trình và phương pháp liên quan theo tiêu chuẩn IEEE 575 “Hướng dẫn về vỏ kim loại và che chắn cáp điện một ruột dẫn có thông số danh định từ 5 đến 500kV”:

Khi đã biết gradient điện áp đối với 1km cáp ở dòng điện 1.000A, cũng có thể tính được điện áp sẽ xuất hiện ở đầu hở của một phân đoạn khi xảy ra sự cố. Điều quan trọng là phải xác định mức điện áp này vì điện áp danh định của SVL (U_c) cần được đặt ở mức cao hơn một chút sao cho thiết bị chống sét không dẫn điện khi xảy ra sự cố. Nếu thiết bị chống sét dẫn điện trong trường hợp này, nó sẽ cần có năng lực xử lý một năng lượng cao hơn nhiều so với năng lực sẵn có của thiết bị chống sét phân phối. Nếu sau này trong quá trình định cỡ thấy cần có một mức U_c thấp hơn thì phân tích quá độ sẽ xác định U_c và thông số danh định năng lượng thích hợp của SVL.

Giả sử rằng lề bảo vệ sẽ là đủ thì khi đó thông số danh định U_c của SVL sẽ phải lớn hơn hoặc bằng điện áp tại điểm mở (E_mở), như sau:

U_c ≥ E_mở = gradient điện áp x chiều dài phân đoạn x dòng điện sự cố kỳ vọng lớn nhất

Trong đó gradient điện áp là V/km/1000A, chiều dài tính bằng kilomét và dòng điện sự cố được biểu thị bằng kA. Ví dụ, nếu một gradient điện áp trên một hệ thống cụ thể là 200V/km/kA và đường dây dài 2km với một điện thế 17,5kA thì khi đó thông số danh định U_c tối thiểu có thể chấp nhận được đối với SVL sẽ là 7.000V. Lưu ý rằng nếu đường dây chỉ dài 1km thì U_c tối thiểu của SVL sẽ bằng một nửa của đường dây dài 2km và có thể tối thiểu là 3.500V.

Hình 9 cho thấy dòng điện chạy qua một SVL có thông số danh định phù hợp trên đường dây dài 1km với gradient điện áp và dòng điện sự cố nêu trên. Có thể thấy rằng chỉ có một vài microampe chạy qua SVL, đây chính xác là điều ta mong muốn. Tuy nhiên, nếu như cùng một SVL được áp dụng cho một đường dây tương tự có chiều dài 2km thì dòng điện qua SVL sẽ đáng kể (như trên Hình 10) và mức tăng nhiệt độ tức thời tới khi hỏng được thể hiện trên Hình 11.

Do đó, khi xác định các thông số danh định U_c thích hợp cho các SVL, chúng ta không thể chọn một thông số danh định cho tất cả các hộp liên kết trừ khi độ dài của tất cả các phân đoạn đều bằng nhau. Hơn nữa, nếu SVL được chọn chính xác, nó sẽ không cần phải hấp thụ bất kỳ mức năng lượng đáng kể nào khi xảy ra chạm chập hệ thống.

Hình 9: Dẫn điện qua SVL có kích thước phù hợp (Ảnh st)

Hình 10: Dòng điện qua SVL được định cỡ không phù hợp với mức cực đại trong phạm vi 600A theo nửa chu kỳ (Ảnh st)

Hình 11: Độ tăng nhiệt của SVL có kích cỡ không phù hợp cho thấy sự cố sắp xảy ra nếu máy cắt không ngắt ngay sự cố (Ảnh st)

Bảo vệ vỏ cáp khỏi xung đóng cắt

Các gián đoạn vỏ cáp và vỏ kim loại thường là cách điện yếu nhất trong hệ thống cáp điện HV. Hình 12 cho thấy mức chống chịu của chúng theo IEEE 575.

Hình 12: Khả năng chịu xung sét của các gián đoạn vỏ kim loại và vỏ cáp (Ảnh st)

Khả năng chống chịu xung đóng cắt của gián đoạn vỏ kim loại và vỏ cáp được giả định là tương tự như các loại cách điện khác và bằng 83% thông số danh định chịu xung sét (BIL). Khi xảy ra một sự kiện xung đóng cắt trên dây dẫn pha của cáp, dòng điện chạy qua nó sẽ cảm ứng một điện áp trên vỏ kim loại giống như cách nó tạo ra ở trạng thái ổn định hoặc trong các sự kiện sự cố, mặc dù dạng sóng khác nhau đáng kể. Vì điện áp và dòng điện trên dây dẫn trong khi xảy ra xung đóng cắt không phải là hình sin hoặc thậm chí là một xung đơn giản (xem Hình 13), nên không thể tiên đoán chính xác điện áp và dòng điện tạo ra trên vỏ kim loại.

Hình 13: Xung đóng cắt trên dây dẫn pha của cáp 345kV có thiết bị chống sét (màu lục) và không có thiết bị chống sét (màu đỏ) trên pha đó (Ảnh st)

Cách duy nhất để xác định chính xác điện áp và dòng điện thực tế trên vỏ kim loại là thông qua mô phỏng quá độ hoặc thử nghiệm hiện trường thực tế. Vì các thử nghiệm không dễ thực hiện nên các mô phỏng quá độ thực sự là lựa chọn duy nhất và một số quy tắc kinh nghiệm hữu ích đã nổi lên khi chạy các mô phỏng như vậy:

1. Nếu SVL được chọn để vượt qua một sự cố có độ dẫn điện ở mức nhỏ nhất đến không dẫn điện nghiêm trọng thì khi đó khả năng chịu được năng lượng xung đóng cắt của thiết bị chống sét phân phối có thông số danh định 10kA là đủ. Nếu SVL không được định kích thước để vượt qua sự cố thì khi đó có thể cần đến thiết bị chống sét dùng cho trạm biến áp.

2. Nếu không có sẵn điện áp dư xung đóng cắt 1000A thì khi đó có thể sử dụng điện áp dư xung sét 1,5kA 8/20 để tính toán lề bảo vệ.

Hình 14: Điện áp xung đóng cắt cảm ứng trên vỏ kim loại của cáp 345kV có và không có bảo vệ SVL. Xung đóng cắt 3 pu trên dây dẫn pha không có SVL (màu lục) và có SVL (màu đỏ) (Ảnh st)

Trong nghiên cứu trường hợp được sử dụng để tạo ra Hình 14, điện áp xung đóng cắt trên vỏ kim loại không có bảo vệ SVL sẽ tăng lên đến lớn hơn 100kV. Theo Hình 12, giá trị này cao hơn 40kV so với mức mà vỏ cáp hoặc lớp cách điện gián đoạn có thể chịu được, thể hiện sự hư hỏng chắc chắn của vỏ cáp. Trong trường hợp này, với SVL là 9,6kV U_c, điện áp trên vỏ kim loại được giới hạn ở mức tối đa là 33kV.

Để tính toán lề bảo vệ trong một xung đóng cắt, khuyến cáo sử dụng điện áp dư xung đóng cắt 1.000A. Vì điện áp dư xung đóng cắt không phải là thử nghiệm bắt buộc đối với các thiết bị chống sét phân phối nên điện áp dư 1.000A có thể không có sẵn. Trong trường hợp này, sự thay thế hợp lý cho điện áp xung đóng cắt là điện áp dư 8×20 ở 1,5kA. Đối với SVL 9,6kV được sử dụng trong nghiên cứu trên, điện áp dư V₁₀₀₀ =1000A 30/75µs là 28,4kV.

Từ Hình 12, có thể thấy mức chịu BIL của vỏ cáp đối với đường dây 345kV là 60kV. Điều này có nghĩa là lề bảo vệ xung đóng cắt (MP2) trong trường hợp này là: MP2=([(BIL x 0,83 )/V₁₀₀₀ ]-1) x 100 = 111%

Bảo vệ vỏ cáp khỏi xung sét

Khi sét đánh vào đường dây trên không trước cột chuyển tiếp, xung điện bị kẹp bởi thiết bị chống sét được lắp phổ quát tại vị trí này và phần lớn dòng xung điện được thoát xuống đất. Tuy nhiên, một điện áp xung có cường độ đáng kể cũng có thể truyền vào cáp với một mức dòng vừa phải. Ví dụ, Hình 15 mô tả điện áp và dòng điện đi vào cáp 345kV khi bị sét đánh 100kA cách đó vài khoảng cột.

Hình 15: Điện áp và dòng điện trên dây dẫn pha của cáp 345kV có xung 100kA tới pha cách cực chuyển tiếp vài khoảng cột (Ảnh st)

Tính toán lề bảo vệ (MP1) cho sét rất giống với những gì được thực hiện trong trường hợp các xung đóng cắt. Ở đây, 10kA được sử dụng cho dòng điện phối hợp và BIL toàn phần được sử dụng cho khả năng chống chịu của vỏ cáp và cách điện gián đoạn. Bằng cách sử dụng cùng loại SVL như trên để tính toán xung đóng cắt, điện áp dư ở 10kA là 35kV và BIL cáp là 60kV. Do đó, MP1=( _{[BIL/V1000 ]} -1)x100 = 71%. Một lần nữa, một SVL 9,6kV U_c sẽ cung cấp khả năng bảo vệ cách điện thích hợp cho vỏ cáp.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “inmr”, tháng 1/2024