Sự phát triển của dây cáp điện PVC đánh dấu một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp cáp điện. Vào những năm 1940, PVC bắt đầu thay thế cao su làm vật liệu cách điện cho dây cáp điện, mở ra một kỷ nguyên mới về hiệu quả và độ bền. Sự chuyển đổi này xuất phát từ những hạn chế của dây cáp điện cách điện giấy tẩm dầu truyền thống, vốn gặp vấn đề về rò rỉ dầu và khó khăn trong xử lý.
Dây cáp điện PVC nhanh chóng được áp dụng ở châu Âu vào cuối những năm 1950, với Đức là quốc gia tiên phong trong sản xuất thương mại quy mô lớn. Sự ra đời của dây cáp điện PVC đã mang lại nhiều ưu điểm như chất lượng tốt hơn, dễ dàng xử lý và ít bị ảnh hưởng bởi độ ẩm.
Những đặc tính này đã thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi dây cáp điện PVC trong các ứng dụng công nghiệp vào đầu những năm 1960. Đặc biệt, sau Hội thảo IEE về Hệ thống Dây Cáp Điện Cách điện Nhựa vào tháng 11 năm 1962 tại Vương quốc Anh, công nghệ dây cáp điện PVC đã được chấp nhận rộng rãi trong ngành công nghiệp.
Có thể bạn quan tâm!
Lớp bán dẫn bảo vệ cáp khỏi ảnh hưởng của trường điện
Cấu trúc cáp điện và các thành phần chính của một sợi cáp.
Cáp càng dài có tăng dòng điện khi bắt đầu kết nối lưới không?
Ưu điểm của dây cáp điện PVC
Cáp PVC đã mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với cáp cách điện giấy truyền thống, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp. Một trong những lợi thế quan trọng nhất là chất lượng và tính dễ xử lý của cáp PVC.
Vào thời điểm cáp PVC được giới thiệu, cáp cách điện giấy đang gặp phải vấn đề về hạn chế lượng chất thấm trong cáp để giảm thiểu tình trạng rò rỉ. Điều này dẫn đến việc phải giảm chất lượng hoặc tăng độ dày lớp cách điện. Ngược lại, cáp PVC cung cấp chất lượng tuyệt vời, sạch sẽ và dễ dàng xử lý hơn nhiều.
Ví dụ, trong quá trình lắp đặt, công nhân có thể dễ dàng uốn cong và định hình cáp PVC mà không cần lo lắng về việc làm hỏng lớp cách điện hoặc gây rò rỉ chất thấm. Một ưu điểm quan trọng khác của cáp PVC là khả năng chống ẩm vượt trội. Cáp PVC ít bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, điều này đặc biệt quan trọng trong các môi trường công nghiệp có độ ẩm cao hoặc tiếp xúc thường xuyên với nước.
Nhờ đặc tính này, cáp PVC không cần vỏ bọc kim loại, giúp giảm đáng kể trọng lượng và chi phí sản xuất. Ví dụ, trong các nhà máy có quy trình sản xuất ẩm ướt hoặc trong các khu vực có khí hậu ẩm, cáp PVC có thể hoạt động hiệu quả mà không cần lớp bảo vệ bổ sung, trong khi cáp cách điện giấy truyền thống sẽ đòi hỏi vỏ bọc kim loại để ngăn chặn sự xâm nhập của hơi ẩm.
Cuối cùng, cáp PVC đã đơn giản hóa đáng kể quá trình nối và đấu nối cáp. Với cáp cách điện giấy, việc nối và đấu nối thường đòi hỏi kỹ thuật phức tạp để duy trì tính toàn vẹn của lớp cách điện và ngăn chặn sự xâm nhập của độ ẩm. Ngược lại, cáp PVC cho phép các phương pháp nối và đấu nối đơn giản hơn, tiết kiệm thời gian và công sức trong quá trình lắp đặt và bảo trì.
Ví dụ, trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi thay đổi bố trí cáp thường xuyên, như trong các nhà máy có quy trình sản xuất linh hoạt, cáp PVC cho phép điều chỉnh và tái cấu hình hệ thống cáp nhanh chóng và hiệu quả hơn nhiều so với cáp cách điện giấy truyền thống.
Các loại dây cáp điện PVC
Các loại cáp PVC chính có thể được phân loại thành bốn nhóm dựa trên mục đích sử dụng và môi trường làm việc cụ thể.
Đầu tiên là cáp công nghiệp, được sử dụng phổ biến nhất cho phân phối điện trong và xung quanh các nhà máy ở mức điện áp lên đến 3,3 kV. Loại cáp này đã gần như được sử dụng phổ biến trên toàn cầu kể từ khoảng năm 1960. Tại Vương quốc Anh, cáp công nghiệp thường sử dụng dây dẫn đồng xoắn hoặc nhôm đặc theo tiêu chuẩn BS 6346:1989.
Cáp có thể là loại một lõi (dạng hình cung đặc hoặc xoắn) hoặc đa lõi với 2, 3 và 4 lõi có kích thước dây dẫn hình cung bằng nhau. Ưu điểm chính của cáp PVC công nghiệp là tính linh hoạt cao, dễ lắp đặt và bảo trì, đồng thời có khả năng chống ẩm tốt mà không cần vỏ bọc kim loại. Loại thứ hai là cáp cung cấp công cộng, chủ yếu được sử dụng cho dịch vụ nhà ở, dân dụng.
Tuy nhiên, việc sử dụng cáp PVC trong lĩnh vực này tại Vương quốc Anh bị hạn chế do vấn đề bảo vệ quá dòng. Hệ thống phân phối điện công cộng thường có rất ít hoặc không có biện pháp bảo vệ cho cáp, ví dụ như một số công ty điện lực vận hành với lưới điện đặc hoặc chỉ có cầu chì thô ở trạm biến áp cuối cáp.
Điều này có thể gây ra vấn đề với cáp PVC do đặc tính nhiệt dẻo của nó, có thể dẫn đến biến dạng cách điện ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, ở nhiều quốc gia khác, cáp PVC vẫn được sử dụng rộng rãi cho mục đích này, ngay cả trong các vùng nhiệt đới, mặc dù có những hạn chế về giảm định mức.
Loại cáp PVC thứ ba được sử dụng phổ biến là cáp khai thác than, được lắp đặt cố định dọc các đường hầm ngầm để cung cấp điện từ trục chính của mỏ đến mặt khai thác. Tại Vương quốc Anh, điện áp tiêu chuẩn cho các cáp này là 3,3 kV và 6,6 kV, với một số yêu cầu ở mức 11 kV.
Cáp PVC đã thay thế cáp giấy tẩm dầu vào những năm 1960 chủ yếu do khả năng chống chịu tốt hơn trước các vụ đá rơi. Nhu cầu sử dụng cáp 3,3 kV và 6,6 kV ở Vương quốc Anh vào cuối những năm 1970 đạt khoảng 650 km/năm. Ban đầu, dây dẫn được làm bằng đồng, nhưng sau đó chuyển sang nhôm đặc vì lý do kinh tế, và cuối cùng là nhôm xoắn để tăng tính linh hoạt khi cuộn cáp để đưa xuống giếng mỏ.
Loại cáp PVC cuối cùng là cáp điện áp cao, được sử dụng hạn chế ở mức điện áp trên 3,3 kV. Mặc dù tiêu chuẩn IEC 60502 quy định thiết kế cáp PVC lên đến 15 kV, nhưng trên thực tế, việc sử dụng cáp PVC trên 3,3 kV khá hạn chế, ngoại trừ một số trường hợp như cáp khai thác mỏ và cáp sử dụng ở Đức. Nguyên nhân chính là do tổn thất điện môi cao của PVC so với các vật liệu thay thế như giấy tẩm dầu và polyethylene.
Ví dụ, đối với cáp 3,8/6,6 kV có kích thước dây dẫn 50 mm2, tổn thất điện môi của cáp PVC là 3109 kWh/km/năm, so với chỉ 11 kWh/km/năm của cáp XLPE và 57 kWh/km/năm của cáp giấy (Table 20.2 – G. F. Moore). Do đó, xu hướng hiện nay là sử dụng cáp XLPE thay vì PVC cho các ứng dụng điện áp cao do có nhiều ưu điểm hơn về mặt điện và nhiệt.
Cấu tạo dây cáp điện PVC
Cấu tạo điển hình của một cáp PVC bao gồm nhiều lớp khác nhau, mỗi lớp đóng vai trò riêng biệt trong việc đảm bảo hiệu suất và độ bền của cáp. Lõi dẫn thường được làm từ đồng hoặc nhôm, có thể là dạng tròn hoặc hình cung tùy theo ứng dụng cụ thể. Theo BS 6346:1989, lõi dẫn có thể là đồng xoắn hoặc nhôm đặc. Lớp cách điện PVC bao quanh lõi dẫn với độ dày phụ thuộc vào kích thước dây dẫn và điện áp làm việc.
Ở dải điện áp 1-3kV, độ dày cách điện chủ yếu phụ thuộc vào yêu cầu cơ học, trong khi ở điện áp cao hơn, yếu tố điện môi đóng vai trò quan trọng hơn. Lớp đệm thường được làm từ băng không hút ẩm dày khoảng 0,8mm hoặc một lớp PVC đùn ép dày 1,0-2,0mm tùy theo đường kính cáp. Lớp vỏ bọc bảo vệ có thể là dây thép mạ kẽm hoặc dải nhôm. BS 6346:1989 chỉ quy định hai loại vỏ bọc là dây thép mạ kẽm và dải nhôm.
Dải nhôm có ưu điểm về độ dẫn điện cao hơn, nhưng khả năng chịu va đập kém hơn so với dây thép. Lớp vỏ ngoài cùng thường làm bằng PVC hoặc polyethylene để bảo vệ cáp khỏi các tác động bên ngoài. BS 6346:1989 quy định sử dụng vỏ ngoài PVC cùng loại với hợp chất cách điện PVC thông dụng.
Hạn chế dây cáp điện PVC
Mặc dù cáp PVC có nhiều ưu điểm, nhưng cũng tồn tại một số hạn chế quan trọng cần được xem xét kỹ lưỡng khi thiết kế và vận hành hệ thống điện công nghiệp. Một trong những hạn chế chính của cáp PVC là xu hướng mềm hóa ở nhiệt độ cao, có thể dẫn đến biến dạng cách điện. Yếu tố quan trọng nhất cần được tính đến là mức độ mềm hóa ở nhiệt độ tăng cao do bản chất nhiệt dẻo của nó. Điều này có thể dẫn đến biến dạng của cách điện do, ví dụ, lực đẩy của dây dẫn tại các chỗ uốn cong.
Hiện tượng này đặc biệt đáng lo ngại trong các môi trường công nghiệp nơi nhiệt độ có thể tăng cao đột ngột hoặc duy trì ở mức cao trong thời gian dài. Ví dụ, trong một nhà máy luyện thép, nơi cáp có thể được lắp đặt gần các lò nung hoặc thiết bị tạo nhiệt khác, nguy cơ biến dạng cách điện do mềm hóa PVC có thể trở nên đáng kể.
Để giải quyết vấn đề này, cần có biện pháp bảo vệ quá dòng phù hợp hoặc giảm định mức cho cáp PVC. Trong “Short-circuit ratings for PVC insulated cables” nói rằng cáp PVC cần được bảo vệ đầy đủ khỏi quá tải hoặc cần phải được gán cho một định mức thấp hơn. Điều này có nghĩa là trong quá trình thiết kế hệ thống điện, cần phải tính toán cẩn thận để đảm bảo rằng cáp PVC không bị quá tải trong điều kiện vận hành bình thường hoặc bất thường.
Một hạn chế khác của cáp PVC, đặc biệt là ở các ứng dụng điện áp cao, là tổn thất điện môi cao hơn so với cáp cách điện giấy hoặc XLPE. Ví dụ, trong một hệ thống truyền tải điện công nghiệp quy mô lớn, sử dụng cáp PVC thay vì XLPE có thể dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể theo thời gian, làm tăng chi phí vận hành và giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống. Đây là lý do chính khiến cáp PVC ít được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao, và xu hướng hiện nay là chuyển sang sử dụng cáp XLPE cho các ứng dụng này.