Khi các đường dây truyền tải kéo dài từ các trạm biến áp được bảo vệ đến các môi trường phân phối đường dài hoặc chôn trực tiếp có tải trọng lớn, chỉ riêng thông số kỹ thuật về hiệu suất điện là không đủ. Cáp phải chịu được ứng suất cơ học rất lớn, bao gồm tải trọng kéo trong quá trình lắp đặt, lực nghiền từ phương tiện giao thông hạng nặng và tác động của sự dịch chuyển địa chất.
Báo cáo về hiệu suất độ bền này phân tích các đặc tính kỹ thuật kết cấu của cáp YJV62 và YJV72 (định mức 35kV trở lên), trình bày chi tiết các nguyên lý cơ và lý giúp chúng trở thành thành phần cốt lõi của mạng lưới trạm biến áp và phân phối trung thế.
Phân tích kết cấu: Đặc tính cơ học của áo giáp hai lớp
Một tính năng đặc biệt của cáp YJV62/YJV72 (xem mặt cắt cấu trúc) là hệ thống bảo vệ áo giáp hai lớp của chúng. Thiết kế này không hề dư thừa; mỗi lớp áo giáp phục vụ một chức năng cơ học cụ thể.
Lớp bên trong: Dây thép thô (Bảo vệ kéo)
Chức năng chính:Đóng vai trò là bộ phận chịu tải chính cho lực kéo.
Nguyên tắc kỹ thuật:Cáp phải chịu lực kéo rất lớn trong quá trình lắp đặt trong rãnh sâu hoặc trục thẳng đứng. Lớp dây thép thô chịu tải trọng dọc trục này, do đó ngăn ngừa biến dạng kéo của dây dẫn đồng; biến dạng như vậy nếu không sẽ làm tăng điện trở và gây hư hỏng vĩnh viễn cho cáp.
Mức độ quan trọng của ứng dụng:Yêu cầu bắt buộc đối với việc lắp đặt theo chiều ngang và chiều dọc (ống đứng) ở khoảng cách xa có liên quan đến những thay đổi đáng kể về độ cao.
Cấu trúc bên ngoài: Băng thép (bảo vệ bên)
Chức năng chính:Khả năng chống lại áp lực bên.
Nguyên lý kỹ thuật:Sau khi được chôn, cáp phải chịu cả áp lực đất tĩnh và tải trọng động (chẳng hạn như xe tải hạng nặng chạy qua rãnh nông). Lớp băng thép giúp bảo vệ xuyên tâm, phân phối áp suất bên ngoài xung quanh chu vi của cáp để ngăn chặn sự biến dạng của lớp cách điện XLPE—sự biến dạng có thể dẫn đến đánh thủng cách điện ở mức điện áp 35kV.
Mức độ quan trọng của ứng dụng:Một tính năng thiết yếu cho việc lắp đặt chôn trực tiếp bên dưới đường bộ, tại các điểm giao nhau với đường sắt và trong các khu công nghiệp nặng.
Kịch bản ứng dụng: Kết hợp đặc tính cơ học với yêu cầu cơ sở hạ tầng
Cáp YJV62/YJV72 được thiết kế đặc biệt cho môi trường có áp suất cao. Sử dụng cáp không phù hợp trong những trường hợp này có thể dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng.
A. Đường vào và đi của trạm biến áp
Các trạm biến áp có đặc điểm là bố trí cáp dày đặc, phức tạp và có nguy cơ xảy ra dòng điện sự cố cao. Cấu trúc áo giáp kim loại hai lớp cung cấp khả năng che chắn điện từ quan trọng (ngăn chặn điện trường xuyên tâm) và bảo vệ vật lý trong các rãnh cáp đông đúc, đảm bảo rằng lực điện từ ngắn mạch cực lớn không gây biến dạng vật lý hoặc đứt cáp khi xảy ra sự cố.
B. Truyền tải điện đường dài/chôn cất trực tiếp công suất lớn
Sử dụng ống bê tông thường không khả thi về mặt kinh tế khi đặt đường dây 35kV ở địa hình trống trải. Việc chôn trực tiếp đòi hỏi dây cáp phải chịu được sự sụt lún của đất, sự xâm nhập của rễ và sự phá hủy của loài gặm nhấm. Cấu trúc băng thép bên ngoài cung cấp lớp giáp bảo vệ cần thiết, cho phép cáp chịu được tiếp xúc trực tiếp với đá lấp và chống lại ứng suất uốn liên tục do độ lún của mặt đất gây ra.
C. Qua đường và qua cầu
Tải trọng giao thông động tạo ra áp lực ngang có tính chu kỳ và cường độ cao. Thiết kế áo giáp hai lớp (sử dụng dây thép thô hoặc băng thép) thể hiện tiêu chuẩn kỹ thuật tối thiểu cho việc lắp đặt Khoan định hướng ngang (HDD) và các ứng dụng băng qua đường.
Nguyên tắc kỹ thuật cốt lõi: Đặc tính nhiệt và điện động ở 35kV
Hoạt động ở 35kV tạo ra ứng suất điện vượt xa ứng suất trong hệ thống điện áp thấp. Hệ thống YJV62/YJV72 giải quyết thách thức này thông qua khoa học vật liệu tiên tiến:
- Độ bền điện môi XLPE: Chất cách điện polyetylen liên kết ngang (XLPE) được thiết kế đặc biệt để chịu được độ dốc điện trường cao mà không bị phóng điện một phần. Ở mức 35kV, ngay cả những khe hở không khí nhỏ bên trong lớp cách nhiệt cũng có thể gây ra tình trạng “cây điện”, cuối cùng dẫn đến hỏng lớp cách điện. Các loại cáp này sử dụng quy trình ép đùn chính xác để tạo ra lớp cách điện dày, nhờ đó loại bỏ hiệu quả các khoảng trống không khí đó.
- Lớp bán dẫn: Sơ đồ thể hiện một lớp vật liệu màu đen nằm phía trên dây dẫn đồng và bên dưới tấm chắn kim loại; đây là lớp che chắn bán dẫn. Chức năng của nó là đồng nhất hóa điện trường và ngăn chặn các điểm tập trung ứng suất điện trường; mặt khác, các điểm tập trung ứng suất như vậy có thể dẫn đến ion hóa không khí, sau đó làm cho lớp cách điện XLPE (polyethylene liên kết ngang) xuống cấp từ trong ra ngoài.
- Dòng sạc điện dung: Ở điện áp 35 kV, cáp hoạt động giống như một tụ điện lớn. Các kỹ sư phải tính đến dòng sạc điện dung vì trong quá trình truyền tải điện đi đường dài, dòng điện này có thể rất lớn, do đó làm giảm khả năng mang dòng hiệu dụng của cáp. Thiết kế hình học chính xác của lớp cách điện và lớp bán dẫn XLPE nhằm mục đích giảm thiểu tổn thất điện môi này.
Hướng dẫn lắp đặt tại chỗ và dự phòng địa chất
Việc rải cáp bọc thép 35kV đòi hỏi phải sử dụng máy móc hạng nặng và tuân thủ nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật lắp đặt vật lý. Kỹ sư công trường phải đảm bảo đáp ứng các yêu cầu sau:
- Tính toán lực căng: Nghiêm cấm việc vượt quá lực căng kéo tối đa cho phép. Đối với cáp bọc thép 35kV, giới hạn này thường được tính dựa trên diện tích mặt cắt dây dẫn và độ bền kéo của dây thép; vượt quá nó có thể gây ra biến dạng kéo vĩnh viễn của dây dẫn đồng.
- Giới hạn bán kính uốn: Do sử dụng dây thép dày và băng thép ở lớp giáp nên bán kính uốn tối thiểu phải được duy trì nghiêm ngặt không nhỏ hơn 20 lần đường kính cáp (và ít nhất là 25 lần trong quá trình kéo). Việc buộc uốn cong với bán kính nhỏ hơn có thể khiến băng thép bị vênh vào trong, làm nát lớp cách điện XLPE và khiến cáp không thể đáp ứng các thông số kỹ thuật hiệu suất định mức 35kV.
- Rãnh lót và san lấp ổn định nhiệt:
- Nghiêm cấm đặt cáp trực tiếp trên đá; phải trải một lớp cát lót hoặc đất sàng dày ít nhất 100 mm.
- Trong các dự án truyền tải điện áp cao, điện trở suất của đất xung quanh là rất quan trọng. Nên sử dụng vật liệu san lấp ổn định nhiệt để ngăn ngừa sự tích tụ nhiệt (có thể dẫn đến tăng điện trở và giảm tuổi thọ của cáp).
- Lắp đặt các tấm bê tông bảo vệ hoặc băng cảnh báo phía trên dây cáp.
- Mức độ quan trọng của mối nối cáp: Đối với hệ thống 35 kV, mối nối trường (điểm kết nối cáp) là liên kết yếu nhất. Điều kiện môi trường phải được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình lắp đặt và độ ẩm trong quá trình lắp ráp khớp phải duy trì dưới giới hạn quy định. Nón ứng suất (hoặc nón giảm ứng suất) phải được lắp đặt bởi nhân viên có trình độ chuyên môn để kiểm soát hiệu quả sự phân bố điện trường tại điểm tuốt cáp.
- Kết nối vỏ bọc và nối đất: Các dây thép thô và băng thép phải được kết nối và nối đất chắc chắn ở các đầu cuối. Dòng điện tuần hoàn do dây dẫn 35kV gây ra trong áo giáp phải được quản lý hợp lý để tránh quá nhiệt.
Câu hỏi thường gặp về kỹ thuật
- Hỏi: Tại sao người ta sử dụng dây thép dày thay vì chỉ dùng băng thép?
Trả lời: Mặc dù băng thép có khả năng chịu áp lực ngang (nghiền) tuyệt vời nhưng độ bền kéo của chúng rất thấp. Cáp 35kV nặng và thường phải kéo khoảng cách xa trong quá trình lắp đặt. Dây thép dày đóng vai trò là khung kết cấu, chịu trọng lượng của cáp trong quá trình lắp đặt và ngăn ngừa hư hỏng lõi cáp bên trong. - Hỏi: Cáp YJV62/YJV72 có thể lắp đặt theo trục thẳng đứng được không?
Đáp: Có, nhưng việc lắp đặt như vậy đòi hỏi tải trọng kéo đáng kể. Cấu trúc áo giáp dây thép được thiết kế đặc biệt cho mục đích này. Tuy nhiên, cáp phải được cố định (kẹp) đúng cách đều đặn để chịu được trọng lượng của chính chúng. Các kẹp không được làm hỏng lớp vỏ PVC bên ngoài; nếu không, hơi ẩm có thể thấm vào và chạm tới các dải thép, gây ra sự ăn mòn nhanh chóng. - Áo giáp hai lớp ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt như thế nào?
Trả lời: Các lớp kim loại có tính dẫn nhiệt tốt, tạo điều kiện cho việc tản nhiệt xuyên tâm. Tuy nhiên, nếu nhiều dây cáp bọc thép được đặt gần nhau—chẳng hạn như khi được bó chặt trong ống dẫn cáp—sẽ xảy ra hiệu ứng làm nóng lẫn nhau. Do đó, khả năng mang dòng (dòng định mức) phải được giảm đi dựa trên số lượng cáp trong nhóm và điện trở nhiệt của đất xung quanh.
