Cáp ngầm điện trung thế là thành phần quan trọng trong hệ thống phân phối điện, được cấu tạo từ nhiều lớp với các chức năng khác nhau. Lõi dẫn điện, thường là đồng hoặc nhôm, là thành phần trung tâm, với đồng có độ dẫn cao hơn và nhôm nhẹ hơn. Lõi dẫn có thể là dây đặc hoặc bện, theo tiêu chuẩn IEC 60228, với kích thước từ 1,5 mm² đến 630 mm², tùy thuộc vào yêu cầu tải điện và chi phí.
Lớp bán dẫn trong bao quanh lõi dẫn, làm từ polymer pha trộn carbon, kiểm soát điện trường và ngăn chặn phóng điện cục bộ. Độ dày lớp này từ 0,5 mm đến 1,5 mm, tùy vào cấp điện áp của cáp. Lớp cách điện chính, thường là XLPE hoặc EPR, đảm bảo cách ly điện áp, với độ dày tăng theo cấp điện áp, ví dụ như cáp 15 kV cần độ dày tối thiểu 4,5 mm.
Lớp bán dẫn ngoài, bao quanh lớp cách điện, cũng có nhiệm vụ phân phối đều điện trường và giảm phóng điện cục bộ, với độ dày từ 0,5 mm đến 1 mm. Lớp chắn kim loại, thường làm từ dây đồng hoặc băng nhôm, giúp dẫn dòng ngắn mạch, bảo vệ cáp khỏi nhiễu điện từ và ngăn ẩm, với diện tích mặt cắt tùy thuộc vào dòng ngắn mạch dự kiến, như cáp 25 kV cần lớp chắn diện tích 16 mm².
Vỏ bọc ngoài cùng, làm từ polymer như PVC hoặc polyethylene, bảo vệ cáp khỏi các tác động cơ học và môi trường. Độ dày vỏ bọc thường từ 2 mm đến 4 mm, với một số cáp có lớp giáp thép bổ sung để tăng cường bảo vệ trong môi trường khắc nghiệt.
Loại cách điện phổ biến của cáp ngầm
Trong lĩnh vực cáp ngầm điện trung thế, ba loại cách điện phổ biến là XLPE, EPR, và PILC, mỗi loại có đặc tính và ứng dụng riêng. XLPE (Polyethylene liên kết chéo) nổi bật với khả năng chịu nhiệt cao, ổn định cơ học và điện môi tốt, với hằng số điện môi thấp (khoảng 2,3) và tổn hao điện môi thấp, giúp giảm tổn thất điện năng.
EPR (Cao su ethylene propylene) linh hoạt hơn, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu uốn cong tốt, khả năng chống ẩm và chống phóng điện cục bộ tốt, nhưng có hằng số điện môi cao hơn (khoảng 3,0) và tổn hao điện môi lớn hơn so với XLPE, dẫn đến tổn thất điện năng cao hơn.
PILC (Cáp giấy tẩm dầu) là công nghệ lâu đời, có độ tin cậy cao và tuổi thọ dài, với nhiều cáp vẫn hoạt động sau hơn 50 năm. PILC có cấu tạo gồm các lớp giấy tẩm dầu, bọc trong vỏ chì hoặc nhôm, chịu quá tải tốt nhưng nặng, khó lắp đặt và bảo trì, cũng như có nguy cơ rò rỉ dầu gây ô nhiễm môi trường.
Ứng suất điện
Ứng suất điện là một trong những yếu tố chính gây ra sự suy giảm và hỏng hóc của cáp điện trung thế. Trong quá trình vận hành, cáp liên tục chịu tác động của điện áp cao, thường từ 15 kV đến 35 kV. Điện áp này tạo ra một trường điện mạnh xuyên qua lớp cách điện của cáp, thường là vật liệu XLPE hoặc EPR. Theo thời gian dòng điện rò bắt đầu gia tăng đáng kể khi cáp chịu trường điện từ 30 kV/mm trở lên dưới tác động của nhiệt độ cao (trên 90°C).
Một hệ quả quan trọng của ứng suất điện là hiện tượng phóng điện cục bộ (PD). PD xảy ra khi điện trường tại một điểm nào đó trong cách điện vượt quá ngưỡng chịu đựng của vật liệu tại điểm đó. Điều này thường xảy ra tại các khuyết tật nhỏ như bọt khí, tạp chất hoặc vết nứt vi mô trong cách điện. Mỗi lần xảy ra PD, một lượng nhỏ năng lượng được giải phóng, gây ra sự suy giảm cục bộ của vật liệu cách điện xung quanh. Theo thời gian, quá trình này có thể dẫn đến sự hình thành của “cây điện” (electrical treeing), một dạng hư hỏng tiến triển có thể cuối cùng dẫn đến sự đánh thủng hoàn toàn của cách điện.
Ứng suất nhiệt
Ứng suất nhiệt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất của cáp điện trung thế. Khi dòng điện chạy qua cáp, nhiệt sinh ra từ hiệu ứng Joule làm tăng nhiệt độ của cả dây dẫn và lớp cách điện, và đối với cáp trung thế, mức tăng này có thể rất đáng kể. Nhiệt độ cao liên tục có thể gây suy giảm các tính chất cơ học và điện của vật liệu cách điện, đặc biệt là với cáp sử dụng cách điện XLPE hoặc EPR.
Nghiên cứu cho thấy, khi chất chống oxy hóa trong XLPE bị tiêu hao, quá trình nhiệt-oxy hóa trở nên nghiêm trọng, dẫn đến sự suy giảm đáng kể các đặc tính cơ học và điện của cách điện, đặc biệt khi nhiệt độ vượt quá 130°C với năng lượng tạo ra khoảng 160 kJ/mol. Hậu quả là, khả năng chịu điện áp của cách điện giảm, làm tăng nguy cơ phóng điện cục bộ và cuối cùng dẫn đến sự cố cáp.
Ngoài tác động của nhiệt độ cao liên tục, chu kỳ nóng-lạnh cũng gây ra ứng suất đáng kể cho cáp. Khi cáp nóng lên do tải cao, nó giãn nở, và khi tải giảm, cáp co lại. Quá trình này, lặp đi lặp lại theo thời gian, có thể dẫn đến sự mệt mỏi của vật liệu, tạo ra các vết nứt vi mô trong lớp cách điện. Những vết nứt này có thể phát triển thành các điểm yếu, nơi phóng điện cục bộ có thể xảy ra, dẫn đến sự suy giảm nhanh chóng của cách điện. Trong trường hợp cáp PILC (Paper Insulated Lead Covered), sự co giãn nhiệt có thể làm thay đổi áp suất dầu bên trong cáp, ảnh hưởng đến hiệu suất cách điện.
Ứng suất cơ học
Ứng suất cơ học là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ của cáp điện trung thế. Trong quá trình lắp đặt và vận hành, cáp thường xuyên phải chịu các lực uốn cong và rung động, có thể gây ra những tổn hại đáng kể cho cấu trúc của cáp, đặc biệt là lớp cách điện. Việc uốn cong cáp quá mức, vượt quá bán kính uốn cong tối thiểu được quy định bởi nhà sản xuất, có thể tạo ra các vết nứt vi mô trong lớp cách điện XLPE hoặc EPR. Những vết nứt này, dù ban đầu có thể không đáng kể, nhưng theo thời gian sẽ phát triển và tạo điều kiện cho hiện tượng phóng điện cục bộ (PD) xảy ra, cuối cùng dẫn đến sự cố cáp.
Rung động liên tục, thường gặp trong môi trường công nghiệp hoặc gần các nguồn rung động như đường sắt hay máy móc nặng, cũng gây ra ứng suất đáng kể cho cáp. Sự rung động này có thể làm cho các lớp của cáp ma sát với nhau, dẫn đến sự mài mòn của vật liệu cách điện. Trong trường hợp nghiêm trọng, nó có thể làm bong tróc lớp bán dẫn bên trong hoặc bên ngoài khỏi lớp cách điện chính, tạo ra khoảng trống nơi PD có thể xảy ra.
Cây nước (Water treeing)
Hiện tượng cây nước (water treeing) là một trong những cơ chế suy giảm chính ảnh hưởng đến cáp điện trung thế sử dụng cách điện XLPE. Quá trình này bắt đầu khi nước xâm nhập vào cấu trúc phân tử của XLPE, thường thông qua các khuyết tật vi mô hoặc do sự khuếch tán qua lớp vỏ bọc cáp. Dưới tác động của điện trường mạnh, các phân tử nước này tạo thành những kênh nhỏ, phát triển theo hình dạng giống cây, từ đó có tên gọi “cây nước”. Quá trình này diễn ra chậm, thường mất ít nhất 5 năm để phát triển đến mức có thể gây nguy hiểm cho cáp.
Cây nước làm suy giảm đáng kể độ bền điện của cách điện XLPE. Khi cây nước phát triển, nó tạo ra các đường dẫn điện vi mô trong cách điện, làm tăng điện trường cục bộ và giảm khả năng chịu điện áp của cáp. Điều này dẫn đến nguy cơ cao hơn về phóng điện cục bộ và cuối cùng là sự cố cáp. Khi cây nước đạt đến kích thước tới hạn, nó có thể chuyển thành cây điện (electrical treeing), một dạng hư hỏng tiến triển nhanh hơn và nguy hiểm hơn.
Cây điện (Electrical treeing)
Cây điện (electrical treeing) là một hiện tượng suy giảm nghiêm trọng trong cáp điện trung thế, đặc biệt là trong cáp có cách điện XLPE. Quá trình này thường bắt đầu từ các điểm yếu trong cấu trúc cách điện, như cây nước đã phát triển đến giai đoạn cuối hoặc các khuyết tật cục bộ trong quá trình sản xuất và lắp đặt cáp. Khi cây nước đạt đến kích thước tới hạn, thường sau khoảng 5 năm phát triển, nó có thể chuyển thành cây điện. Điều này xảy ra khi điện trường tại đỉnh của cây nước trở nên đủ mạnh để gây ra sự phân hủy cục bộ của vật liệu cách điện.
Cây điện phát triển nhanh hơn nhiều so với cây nước và tạo ra các kênh dẫn điện rõ ràng trong lớp cách điện. Quá trình này bao gồm sự carbonhóa tiến triển của vật liệu cách điện, tạo ra các đường dẫn điện microscopic. Khi các kênh này phát triển, chúng làm tăng cường độ điện trường tại đỉnh của cây điện, dẫn đến sự phát triển nhanh chóng và không thể đảo ngược của hiện tượng này. Cuối cùng, cây điện có thể phát triển xuyên qua toàn bộ chiều dày của lớp cách điện, dẫn đến sự đánh thủng hoàn toàn và gây ra sự cố cáp
Oxy hóa
Quá trình oxy hóa là một cơ chế suy giảm quan trọng ảnh hưởng đến cáp điện trung thế, đặc biệt là đối với cáp sử dụng cách điện EPR (Ethylene Propylene Rubber). EPR, một loại copolymer được tạo thành từ ethene và propene, có cấu trúc phân tử phức tạp hơn so với XLPE (Cross-linked Polyethylene). Điều này làm cho EPR dễ bị tấn công bởi oxy hơn, đặc biệt là khi có mặt của nhiệt độ cao và điện trường mạnh – các điều kiện thường gặp trong cáp trung thế vận hành ở điện áp từ 15 kV đến 35 kV.
Quá trình oxy hóa bắt đầu khi oxy từ không khí xâm nhập vào cấu trúc của vật liệu cách điện, thường thông qua các khuyết tật nhỏ trong lớp vỏ bọc cáp hoặc qua quá trình khuếch tán chậm. Oxy phản ứng với các liên kết hóa học trong chuỗi polymer của EPR, làm đứt gãy các liên kết và tạo ra các nhóm chức mới. Điều này dẫn đến sự suy giảm các tính chất cơ học và điện của vật liệu cách điện. Cụ thể, cách điện trở nên giòn và dễ nứt vỡ, đồng thời khả năng chịu điện áp cũng giảm đáng kể.
Sự oxy hóa thường dẫn đến tăng giá trị Tan Delta, đặc biệt là ở các mức điện áp cao hơn. Điều này phản ánh sự gia tăng tổn thất điện môi trong cách điện do quá trình oxy hóa gây ra.Để giảm thiểu tác động của oxy hóa, nhà sản xuất cáp thường sử dụng các chất chống oxy hóa trong quá trình sản xuất EPR.
Tuy nhiên, theo thời gian, các chất này có thể bị tiêu hao, làm giảm khả năng bảo vệ của chúng. Trong quá trình lắp đặt và vận hành, việc đảm bảo tính toàn vẹn của lớp vỏ bọc cáp là rất quan trọng để hạn chế sự xâm nhập của oxy. Ngoài ra, việc kiểm soát nhiệt độ vận hành của cáp cũng giúp làm chậm quá trình oxy hóa, vì tốc độ phản ứng oxy hóa tăng đáng kể ở nhiệt độ cao.
Thấm nước
Sự thấm nước là một trong những mối đe dọa nghiêm trọng nhất đối với tính toàn vẹn và hiệu suất của cáp điện trung thế, đặc biệt là đối với cáp cách điện giấy tẩm dầu (PILC). Trong cáp PILC, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phân phối điện trung thế với điện áp từ 15 kV đến 35 kV, cách điện bao gồm nhiều lớp giấy được tẩm dầu cách điện. Hiệu suất cách điện của loại cáp này phụ thuộc rất lớn vào việc duy trì độ ẩm thấp trong cấu trúc cáp.
Khi nước xâm nhập qua lớp vỏ bọc của cáp PILC, thường do sự ăn mòn hoặc hư hỏng cơ học của lớp vỏ chì, nó gây ra một loạt các vấn đề nghiêm trọng. Đầu tiên, nước làm giảm đáng kể khả năng cách điện của giấy tẩm dầu. Nước cũng có thể phản ứng với dầu cách điện, làm thay đổi tính chất hóa học và điện của nó. Hơn nữa, sự hiện diện của nước có thể dẫn đến hiện tượng phóng điện cục bộ (PD), tạo ra các kênh dẫn điện microscopic trong cách điện, cuối cùng dẫn đến sự cố cáp.
Để phát hiện sự thấm nước trong cáp PILC, các kỹ thuật như đo điện trở cách điện và thử nghiệm Tan Delta được sử dụng. Đối với cáp PILC, giá trị điện trở cách điện thấp hơn đáng kể so với cáp polymer, với giá trị điển hình khoảng 50 megaohm cho cáp PILC trong tình trạng tốt. Sự suy giảm đáng kể của giá trị này có thể chỉ ra sự thấm nước. Thử nghiệm Tan Delta cung cấp thông tin chi tiết hơn về tình trạng cách điện.
Để ngăn ngừa và giảm thiểu tác động của sự thấm nước, việc duy trì tính toàn vẹn của lớp vỏ chì là rất quan trọng. Điều này bao gồm việc bảo vệ cáp khỏi hư hỏng cơ học và ăn mòn trong quá trình lắp đặt và vận hành. Trong trường hợp phát hiện sự thấm nước, các biện pháp can thiệp như bơm dầu cách điện mới vào cáp hoặc thay thế đoạn cáp bị ảnh hưởng có thể được thực hiện. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, việc thay thế cáp PILC bằng cáp polymer hiện đại như XLPE hoặc EPR có thể là giải pháp lâu dài hiệu quả hơn, do khả năng chống thấm nước tốt hơn của các loại cáp này.
Lão hóa do môi trường
Lão hóa do môi trường là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất của cáp điện trung thế, đặc biệt là đối với cáp ngoài trời hoặc cáp được lắp đặt gần bề mặt. Trong môi trường ngoài trời, cáp điện trung thế phải chịu đựng nhiều yếu tố môi trường khắc nghiệt. Tia cực tím từ ánh nắng mặt trời, ozone trong không khí, và các yếu tố khác như nhiệt độ cao, độ ẩm, và ô nhiễm không khí có thể gây ra sự suy giảm đáng kể đối với vật liệu cách điện của cáp.
Tia cực tím có thể gây ra sự phân hủy quang hóa của các polymer như XLPE và EPR, làm đứt gãy các liên kết hóa học trong cấu trúc phân tử của vật liệu. Điều này dẫn đến sự suy giảm các tính chất cơ học và điện của cách điện. Ozone, một chất oxy hóa mạnh, có thể tấn công các liên kết đôi còn sót lại trong cấu trúc polymer, làm tăng tốc quá trình lão hóa. Sự kết hợp của nhiệt độ cao và độ ẩm có thể thúc đẩy quá trình thủy phân của vật liệu cách điện, đặc biệt là trong cáp EPR.
Để giảm thiểu tác động của lão hóa môi trường, các nhà sản xuất cáp thường sử dụng các chất phụ gia chống UV và chống oxy hóa trong quá trình sản xuất vật liệu cách điện. Đối với cáp ngoài trời, việc sử dụng lớp vỏ bọc ngoài chất lượng cao, có khả năng chống chịu tia UV và ozone, là rất quan trọng. Trong quá trình lắp đặt và vận hành, việc bảo vệ cáp khỏi ánh nắng trực tiếp và các yếu tố môi trường khắc nghiệt khác cũng góp phần kéo dài tuổi thọ của cáp. Các chương trình kiểm tra và bảo trì định kỳ, bao gồm kiểm tra trực quan và thử nghiệm điện, giúp phát hiện sớm các dấu hiệu lão hóa do môi trường, cho phép can thiệp kịp thời để ngăn ngừa sự cố.
Hỏng vỏ bọc
Hỏng vỏ bọc là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ của cáp điện trung thế. Vỏ bọc cáp đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các thành phần bên trong cáp khỏi các yếu tố môi trường và tác động cơ học. Trong cáp trung thế vỏ bọc bảo vệ lớp cách điện chính (thường là XLPE hoặc EPR) và lớp chắn kim loại (thường là dây đồng hoặc băng nhôm) khỏi hư hỏng.
Khi vỏ bọc bị hư hỏng, nó tạo ra lối đi cho độ ẩm và các chất ô nhiễm xâm nhập vào cấu trúc cáp. Điều này có thể dẫn đến một loạt các vấn đề nghiêm trọng. Đối với cáp có cách điện XLPE hoặc EPR, sự xâm nhập của độ ẩm có thể thúc đẩy quá trình hình thành cây nước (water treeing), một hiện tượng suy giảm cách điện phổ biến. Quá trình này bắt đầu khi nước tạo thành các kênh microscopic trong cách điện, dần dần phát triển thành cấu trúc giống cây dưới tác động của điện trường. Theo thời gian, cây nước có thể chuyển thành cây điện (electrical treeing), dẫn đến sự đánh thủng hoàn toàn của cách điện.
Ngoài ra, sự xâm nhập của độ ẩm và chất ô nhiễm có thể gây ra ăn mòn lớp chắn kim loại. Trong trường hợp cáp PILC (Paper Insulated Lead Covered), sự ăn mòn của lớp vỏ chì có thể dẫn đến sự rò rỉ của dầu cách điện, làm suy giảm nghiêm trọng khả năng cách điện của cáp. Để phát hiện hư hỏng vỏ bọc và đánh giá tác động của nó, nhiều kỹ thuật được sử dụng. Kiểm tra trực quan có thể phát hiện các hư hỏng bề mặt, trong khi thử nghiệm VLF (Very Low Frequency) và đo Tan Delta có thể phát hiện sự suy giảm cách điện do hậu quả của hư hỏng vỏ bọc.