Ý nghĩa của việc nối đất đầu cáp trong hệ thống điện lực

Nối đất đầu cáp là một trong những giải pháp cơ bản nhưng đóng vai trò rất quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống cáp điện lực. Việc nối đất đầu cáp là thao tác kết nối lớp sheath (vỏ chì, nhôm, thép hoặc màn chắn đồng) của cáp điện với hệ thống đất tại vị trí đầu cáp hoặc tại các điểm quy định trên toàn tuyến.

Đối với cáp lực, đặc biệt là cáp trung thế và cao thế, sheath hoặc screen là lớp kim loại ngoài ruột dẫn, có chức năng bảo vệ cách điện và hạn chế tác động của điện trường lên môi trường xung quanh. Khi cáp điện lực mang dòng xoay chiều, sheath chịu ảnh hưởng của từ trường biến thiên sinh ra từ ruột dẫn. Nối đất đầu cáp sẽ đưa sheath về cùng điện thế với đất, kiểm soát điện áp vỏ cáp và đảm bảo an toàn cho hệ thống.

Xem thêm:

Lớp bán dẫn bảo vệ cáp khỏi ảnh hưởng của trường điện

Cáp điện: Ba yếu tố quyết định sự sống còn của cáp

Khả năng mang tải cáp là gì, nó quan trọng như thế nào

Hiện tượng cảm ứng điện áp trên vỏ sheath

Trong vận hành thực tế, ruột dẫn của cáp điện khi mang dòng điện xoay chiều sẽ tạo ra một từ trường biến thiên lan truyền dọc theo chiều dài cáp. Từ trường này liên kết với sheath hoặc screen và gây ra hiện tượng cảm ứng điện áp trên lớp kim loại này. Nếu sheath không được nối đất đúng cách, điện áp cảm ứng trên sheath sẽ có xu hướng tích lũy dọc tuyến cáp, đặc biệt khi chiều dài tuyến lớn.

Giá trị điện áp cảm ứng có thể đạt tới hàng kV, vượt xa mức an toàn cho người và thiết bị. Khi điện áp vỏ sheath vượt quá ngưỡng chịu đựng của lớp cách điện ngoài hoặc các điểm yếu cấu trúc, nguy cơ phóng điện ra đất, hư hỏng cáp, và thậm chí tai nạn điện cho nhân viên bảo trì sẽ gia tăng đáng kể.

Ý nghĩa an toàn của việc nối đất đầu cáp

Nối đất đầu cáp có tác dụng cân bằng và triệt tiêu điện áp cảm ứng trên sheath hoặc screen. Bằng cách này, vỏ sheath luôn được giữ ở điện thế gần bằng điện thế đất, giảm thiểu nguy cơ phóng điện, sự cố điện và bảo vệ tuyệt đối cho nhân viên vận hành.

Ở các lưới điện trung thế (ví dụ 22 kV) và cao thế, việc duy trì điện áp vỏ sheath ở mức an toàn là điều kiện bắt buộc trong tiêu chuẩn vận hành. Nối đất đúng cách còn giúp ổn định điện áp vỏ ngoài của cáp khi xảy ra các sự cố như chạm đất một pha, ngắn mạch hay xung điện áp lan truyền.

Ảnh hưởng đến tổn hao nhiệt và dòng cảm ứng

Khi sheath được nối đất tại hai đầu tuyến (solid bonding), một mạch vòng kín được tạo ra cho dòng cảm ứng vòng (circulating current). Dưới tác động của từ trường xoay chiều do dòng điện trong ruột dẫn, trong sheath xuất hiện một dòng điện cảm ứng chạy vòng suốt chiều dài cáp.

Dòng này sinh ra tổn hao nhiệt bổ sung trên sheath, được gọi là tổn hao cảm ứng vòng. Giá trị tổn hao này được định lượng qua hệ số λ1′​ trong tiêu chuẩn IEC 60287-1-1.

Tổn hao bổ sung này được cộng vào tổng tổn hao nhiệt của cáp, làm tăng nhiệt độ vận hành thực tế của ruột dẫn và có thể giảm dòng điện cho phép của cáp. Công thức tính tổn hao do dòng cảm ứng vòng trên sheath được biểu diễn như sau, R_s là điện trở sheath tại nhiệt độ vận hành, X là cảm kháng của sheath, theo tiêu chuẩn:

Trong đó λ1′​ là phần tổn hao cảm ứng vòng, phải cộng thêm vào tổn hao trên ruột dẫn để xác định tổng lượng nhiệt sinh ra.

Phương pháp nối đất một đầu và cross-bonding

Để giảm tối đa tổn hao trên sheath, đặc biệt với cáp một lõi hoặc tuyến cáp dài, phương án nối đất sheath tại một đầu tuyến (single-point bonding) hoặc cross-bonding thường được áp dụng. Khi chỉ nối đất sheath tại một đầu, sheath không tạo thành mạch kín cho dòng cảm ứng vòng, vì vậy tổn hao nhiệt do circulating current hầu như bằng 0.

Tuy nhiên, cấu hình này lại làm tăng điện áp cảm ứng trên sheath, có thể tích lũy lên mức cao nguy hiểm khi chiều dài tuyến lớn. Để giải quyết, kỹ thuật cross-bonding được triển khai: tuyến cáp được chia thành các đoạn nhỏ (minor section), sheath của từng đoạn nối đất tại một đầu, các đoạn được hoán đổi pha để điện áp cảm ứng triệt tiêu lẫn nhau. Nhờ đó, vừa hạn chế tổn hao sheath vừa giữ được điện áp vỏ trong giới hạn an toàn.

Ý nghĩa bảo vệ quá áp và ổn định vận hành

Ngoài kiểm soát điện áp cảm ứng và tổn hao nhiệt, nối đất đầu cáp còn bảo vệ hệ thống khi xuất hiện các xung quá áp, sét lan truyền hoặc các sự cố điện áp đột biến. Sheath nối đất hoạt động như một “lá chắn” cho toàn bộ ruột dẫn, giúp dẫn nhanh dòng sự cố về đất, hạn chế ảnh hưởng lan truyền và bảo vệ cả thiết bị lẫn con người. Trong tiêu chuẩn IEC 60287-1-1, nối đất sheath còn là giải pháp bắt buộc cho các tuyến cáp có nguy cơ phơi nhiễm với điện áp quá áp cao.

Công thức đánh giá tổn hao tổng quát khi nối đất sheath

Khi sheath được nối đất hai đầu, tổng tổn hao trên sheath được xác định qua công thức:

Với P_conductor là tổn hao trên ruột dẫn ,λ1​ là hệ số tổn hao sheath đã bao gồm cả circulating current và eddy current (dòng xoáy). Giá trị này cộng dồn vào tổn hao tổng của cáp và là cơ sở xác định dòng điện cho phép theo các tiêu chuẩn thiết kế.

Tác động của nối đất đầu cáp lên tuổi thọ và độ tin cậy hệ thống

Nối đất đầu cáp đúng kỹ thuật giúp kéo dài tuổi thọ của hệ thống cáp điện nhờ giảm nguy cơ lão hóa nhiệt, hư hỏng cách điện ngoài và sự cố điện do quá áp hoặc phóng điện vỏ sheath.

Khi điện áp vỏ luôn được duy trì ở mức an toàn và tổn hao được kiểm soát hợp lý, vật liệu cách điện và lớp sheath không bị chịu tải quá mức, bảo toàn được cấu trúc bền vững qua thời gian vận hành dài. Đồng thời, độ tin cậy hệ thống lưới điện cũng tăng lên, giảm tần suất và chi phí bảo trì sửa chữa.

Việc nối đất đầu cáp trong hệ thống điện lực là thao tác có ý nghĩa quyết định đến an toàn, hiệu quả và tuổi thọ vận hành của tuyến cáp. Thông qua kiểm soát điện áp vỏ sheath, hạn chế tổn hao nhiệt, bảo vệ thiết bị và con người khỏi các nguy cơ sự cố điện, nối đất đầu cáp trở thành yêu cầu bắt buộc trong các tiêu chuẩn thiết kế và vận hành lưới điện trung – cao thế.

Công thức tính toán và các quy tắc thực hiện đều được quy định chi tiết trong các tiêu chuẩn quốc tế uy tín như IEC 60287-1-1, giúp đảm bảo tính đồng bộ, khoa học và minh bạch cho mọi dự án lưới điện hiện đại.