Cáp ngầm trung thế 24kV/35kV: Cấu tạo, phân loại và hướng dẫn lắp đặt

Một sợi cáp ngầm trung thế được cấu tạo từ trong ra ngoài theo 6 lớp chính:

2.2 Lớp bán ruột dẫn (conductor shield)

Lớp bán dẫn ruột dẫn là lớp bán dẫn dạng đùn mỏng (khoảng 0.25-0.5mm), tương thích với vật liệu cách điện chính, bọc trực tiếp quanh ruột dẫn. Vai trò của nó là loại bỏ khoảng trống khí giữa ruột dẫn và lớp cách điện — nơi dễ bị ion hóa nhất; cùng với lớp bán dẫn cách điện ở phía ngoài, hai lớp này hoạt động như hai bản cực của tụ điện, giúp điện trường phân bố đều và đối xứng quanh lớp cách điện thay vì tập trung cục bộ.

2.4 Lớp bán dẫn cách điện (insulation shield)

Ngoài việc tạo mặt phẳng đất bao quanh cách điện để phân bố điện trường đối xứng, lớp màn chắn này còn có 3 vai trò ít được nhắc tới: giảm nhiễu tần số vô tuyến phát sinh từ cáp, cho phép thử nghiệm cách điện riêng từng ruột dẫn, và nếu được nối đất đúng cách, giảm nguy cơ điện giật cho người vận hành khi tiếp xúc gần cáp.

Về cấu tạo, lớp màn chắn gồm hai phần: lớp bán dẫn cách điện (polymer bán dẫn dạng đùn, phổ biến ở cáp hiện) và lớp màn chắn kim loại phủ ngoài. Màn chắn kim loại thường là băng đồng/đồng thau quấn xoắn chồng mí, hoặc dây đồng đặt đồng tâm quanh cách điện; một biến thể khác ("Unishield") dùng các sợi dây chắn thẳng hoặc dạng gợn sóng nhúng trong lớp vỏ bán dẫn đùn thay vì quấn băng riêng.

2.5 Lớp màn chắn kim loại

Về màn chắn kim loại, ngành phân phối từ lâu ưa chuộng công nghệ dạng dây — gồm dây dẹt (flat strap) và dây tròn (round wire) — với nhiều biến thể về tiết diện dây trung tính (tính theo tỷ lệ với ruột dẫn pha) nhằm cân bằng giữa khả năng tải dòng trung tính/dòng sự cố và mong muốn giảm chi phí, trọng lượng cáp.

Bên cạnh đó vẫn có kiểu màn chắn dạng băng đồng quấn xoắn (helically applied copper tape), độ dày danh nghĩa khoảng 0.125mm. Trong điều kiện vận hành bình thường, cả hai kiểu (dây hoặc băng) đều đáp ứng được hai chức năng cốt lõi — xả điện tích tích tụ ở lớp bán dẫn và tải đủ dòng sự cố khi cần. Khác biệt giữa hai kiểu chủ yếu nằm ở chi phí, trọng lượng và việc có cần giữ lớp vỏ bọc ngoài hay không, chứ không phải về mức độ an toàn vận hành.

Một điểm cần lưu ý thêm: hai cáp có ký hiệu Uo/U khác nhau vẫn có thể dùng thay thế cho nhau nếu chung giá trị Um — vì Um mới là thông số quyết định cáp có phù hợp với lưới hay không, còn Uo/U chỉ phản ánh cách đấu nối cụ thể. Ví dụ, cáp trung thế 12/20(24)kV và cáp 12,7/22(24)kV đều dùng được cho hệ thống có điện áp không vượt quá 24kV, vì cả hai cùng chung Um = 24kV — đây cũng là lý do một số catalogue liệt kê song song hai ký hiệu này cho cùng một cấp điện áp lưới.

Ví dụ, danh mục cáp trung thế của HELU hiện ghi theo đúng ký hiệu chuẩn này: 6/10 kV, 12/20 kV, 18/30 kV — trong đó 12/20kV tương ứng "24kV" và 18/30kV tương ứng "35kV" theo cách gọi phổ biến.

Sở hữu cấu tạo nhiều lớp bảo vệ, đặc biệt là lớp cách điện XLPE bền bỉ. Tuy nhiên, lớp cách điện này vẫn có thể suy giảm qua hai cơ chế chính thường gặp ở các dòng cáp ngầm:

• Cây điện hóa (water treeing): hình thành khi độ ẩm len vào cách điện qua các khuyết tật cực nhỏ, tạo thành mạng lưới kênh dẫn nước (mỗi giọt chỉ khoảng 0,1-1 micromet) theo dạng phân nhánh như cây dưới tác dụng của điện trường lâu dài. Cáp từ 6kV trở lên được xem là nhóm đặc biệt dễ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng này. Đây là lý do lớp vỏ bọc ngoài và đặc biệt là mối nối/đầu cáp phải kín nước tuyệt đối — phần lớn hư hỏng cáp ngầm bắt nguồn từ điểm nối chứ không phải từ thân cáp.
• Cây điện (electrical treeing): phát triển từ phóng điện cục bộ tại các điểm khuyết tật hoặc tạp chất trong cách điện, dần dần tạo thành các kênh dẫn điện phân nhánh cho đến khi đánh thủng hoàn toàn nếu không được phát hiện sớm.

Những cơ chế suy giảm này không chỉ do bản thân vật liệu cách điện xuống cấp theo tuổi thọ tự nhiên, mà phần lớn bắt nguồn từ chính quá trình thi công.

5.3 Độ sâu chôn cáp và phương pháp lắp đặt cáp

Cáp chôn trực tiếp trong đất được xem là đã đủ bảo vệ cơ học mà không cần thêm lớp bảo vệ nào khác, với độ sâu tối thiểu 0.6m ở đất thường và 0.8m dưới lòng đường theo khuyến nghị của nhà sản xuất. Nếu độ sâu thực tế thấp hơn mức này, cần bổ sung biện pháp bảo vệ tương ứng.

Ngoài phương pháp chôn trực tiếp, cáp còn có thể được thi công bằng cách cày cáp (ploughing) hoặc luồn trong ống tạo sẵn bằng khoan ngầm không đào hở (khoan phun/HDD). Khi đi trong ống hoặc gạch định hình, đường kính trong của ống/gạch phải tối thiểu bằng 1.5 lần đường kính ngoài của cáp, đồng thời nên có biện pháp chống bồi lắng cho ống.

5.4 Cố định cáp

Khoảng cách ngang tối đa giữa các kẹp cố định là 20 lần đường kính cáp (tối đa 80cm); khoảng cách dọc tối đa là 150cm. Cáp lõi đơn có thể lắp đặt riêng lẻ hoặc bó chung — nếu bó chung, cần xử lý như cáp nhiều lõi.

Khi lắp cáp lõi đơn, nên dùng kẹp nhựa hoặc kẹp kim loại không từ tính. Kẹp thép chỉ được phép dùng nếu mạch từ tạo bởi kẹp không bao quanh riêng lẻ từng lõi cáp, nhằm tránh hiệu ứng cảm ứng từ gây nóng cục bộ. Kẹp cần được siết đủ chặt nhưng vẫn phải đảm bảo không gây hư hại cáp khi cáp giãn nở vì nhiệt.

5.5 Lực kéo cho phép khi kéo cáp

Lực kéo tối đa được xác định theo ba trường hợp:

• Kéo bằng đầu kéo gắn vào ruột dẫn: lực kéo tối đa = tổng tiết diện ruột dẫn × lực kéo cho phép trên đơn vị tiết diện (đồng: 50 N/mm², nhôm: 30 N/mm²). Lưu ý chỉ tính tổng tiết diện ruột dẫn, không cộng thêm tiết diện màn chắn điện từ, dây đồng tâm hay lớp giáp bảo vệ.
• Kẹp kéo tác động lên ruột dẫn: áp dụng khi kéo cáp có cách điện/vỏ nhiệt dẻo không có lớp kim loại bọc ngoài, dùng cùng công thức và giá trị như trên.
• Kẹp kéo tác động lên vỏ bọc ngoài: lực kéo tối đa P = 3D² (N), với D là đường kính ngoài của cáp tính bằng milimét.

6.4 Cáp trung thế cách điện TR-XLPE, vỏ LLDPE

6.6 Đầu cáp ngầm trung thế và hộp nối cáp ngầm trung thế

Đầu cáp (termination) và mối nối (joint) là nơi kết nối cáp với thiết bị đóng cắt hoặc nối hai đoạn cáp với nhau — cũng là điểm nhạy cảm nhất trong toàn tuyến cáp.

Mối nối cáp xuất hiện phổ biến trong mạng lưới phân phối trung thế vì trên thực tế, chiều dài một tuyến cáp thường vượt quá khả năng cuộn của một drum cáp thông thường, do đó cần nối nhiều đoạn cáp lại với nhau để hoàn thành tuyến. Vai trò chính của mối nối là đảm bảo tính liên tục về điện và cơ học tại điểm nối hai đoạn cáp, đồng thời phải kiểm soát điện trường tại vị trí nối (stress-grading) không kém gì tại đầu cáp. Có 2 loại mối nối cho cáp trung thế là mối nối co nhiệt và co nguội.

Danh mục phụ kiện cho cáp trung thế của HELU bao gồm:

• Đầu cáp dạng cắm sẵn (termination, T-connector): đây là phụ kiện được dùng để kết thúc đầu cáp trung thế một cách an toàn, có kiểm soát, kết nối cáp với tủ trung thế, máy biến áp, thanh cái hoặc điểm đấu nối ngoài trời. Tham khảo sản phẩm của HELU (Part no. 905287)
• Đầu cáp co nhiệt (heat-shrink): dùng nhiệt để co ống lại ôm khít vào cáp, thi công cần dùng nhiệt để làm nó co khít trở lại quanh cáp, tạo lớp cách điện đồng nhất, kín khít chống ẩm và bảo vệ cơ học chắc chắn
• Đầu cáp co nguội (cold-shrink): Sau khi đặt đúng vị trí trên cáp, thợ thi công chỉ cần rút lõi ra — vật liệu đàn hồi sẽ tự co lại ôm khít quanh cáp, không cần dùng nhiệt.