Điện dung của cáp điện: hiểu rõ tính chất và biện pháp bảo hộ an
toàn
Cáp điện được đề cập ở đây là cáp điện lực, mục đích sử dụng của cáp
điện lực là truyền tải điện năng. Như vậy yêu cầu chính được đặt ra với
nó là khả năng dẫn điện, truyền tải năng lượng điện, nghĩa là độ dẫn điện
của ruột dẫn của cáp cần phải cao và điện trở của ruột dẫn cần phải thấp.
Để cáp được vận hành an toàn trong từng môi trường lắp đặt cụ thể thì
cáp cần có khả năng cách điện với đất cũng như các cáp khác lắp đặt gần
nhau. Do đó với đường dây trần lắp đặt trên không, tận dụng khoảng
cách không khí làm vật chất cách điện, còn đối với môi trường lắp đặt
không phải trên không hoặc ngầm dưới đất thì cáp phải có yêu cầu cao
về độ cách điện giữa thành phần dẫn điện với đất hoặc với các sợi cáp
khác.
Điện dung là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích và phóng điện. Cáp
không có mục đích sử dụng để tích hay phóng điện, vậy tại sao phải đề
cập đến điện dung của cáp ? Thực không may, cáp điện lại tự nó có điện
dung một cách không mong muốn, và nó hầu như không có lợi ích gì đối
với mục đích sử dụng của cáp điện, mà ngược lại nó còn ảnh hưởng đến
chức năng, nhiệm vụ của cáp điện.
Do yêu cầu cách điện được nói bên trên nên cáp điện được bọc một lớp
cách điện. Lớp cách điện này của cáp thường là các loại nhựa, polymer
cao phân tử và một số rất ít sử dụng giấy hoặc dầu cách điện. Chúng
được gọi chung là chất điện môi cách điện. Chất điện môi bất kỳ đều có
khả năng tích trữ năng lượng điện, đại lượng đặc trưng cho khả năng tích
tích trữ năng lượng điện này được gọi là điện dung. Điện dung ký hiệu là
C, đơn vị là Fara (F), nhưng 1F là rất lớn nên đơn vị nhỏ hơn là micro
fara (μF) hoặc nano fara (nF) thường được sử dụng hơn.
Đối với cáp ruột dẫn tròn bọc chất điện môi cách điện xung quanh thì nó
giống như một tụ điện kiểu hình trụ. Điện dung của cáp được xác định
theo công thức sau:
C = 2*π*ε*l*8,85*10e-6/ln(D/d)
Trong đó:
C = Điện dung của cáp (µF)
π = 3,1416
ε = Hằng số điện môi của vật liệu cách điện
l = chiều dài cáp (m)
D = Đường kính ngoài lớp cách điện, không bao gồm lớp bán dẫn nếu có
(mm)
d = Đường kính ruột dẫn của cáp, bao gồm lớp bán dẫn nếu có (mm)
Tham khảo một số bảng tính điện dung của một số loại cáp đính kèm.
Qua công thức trên ta thấy rằng, cùng một loại cáp và cùng cỡ cáp thì
chiều dài càng lớn thì điện dung C càng lớn; cùng chiều dày cách điện
nhưng đường kính ruột dẫn càng lớn thì C càng lớn; cùng đường kính
ruột dẫn thì chiều dày cách điện càng lớn thì điện dung C càng nhỏ.
Hằng số điện môi là một thông số quan trọng của vật liệu cách điện, nó
ảnh hưởng rất lớn đến điện dung của cáp. Hằng số này càng nhỏ càng tốt.
Dưới đây là bảng tham khảo hằng số điện môi của một số vật liệu.
Đối với cáp sử dụng với nguồn điện một chiều (DC) thì điện dung này
chỉ “làm việc” tại thời điểm đóng điện hoặc ngắt điện mà thôi, còn trong
quá trình truyền tải liên tục điện dung này không có tác dụng nào khác.
Đối với cáp sử dụng với nguồn điện xoay chiều (AC) thì điện dung của
cáp ảnh hưởng liên tục trong suốt thời gian vận hành cáp. Bởi vì nguồn
điện xoay chiều biến thiên theo thời gian cho nên quá trình nạp-xả xảy ra
liên tục trong cáp, cho nên có dòng điện xuyên qua lớp cách điện, dòng
điện này được gọi là dòng điện dung của cáp, ký hiệu là Ic. Dòng điện Ic
này sớm pha hơn điện áp một góc 90 độ điện.
Ngoài ra, do tính chất hữu hạn về khả năng cách điện của điện môi,
nghĩa không có vật chất nào cách điện một cách tuyệt đối mà luôn có
một giá trị điện trở thuần (R) nào đó, dù là rất lớn. Cho nên khi cáp được
đóng điện thì luôn luôn có một dòng điện nhỏ đi xuyên qua lớp cách
điện, bất kể là điện một chiều hay xoay chiều, bất kể cáp đang có tải hay
không tải. Dòng điện này thường được gọi là dòng điện rò hoặc dòng
điện điện trở, ký hiệu là Ir. Dòng điện Ir này cùng pha với điện áp.
Vì vậy khi cáp được sử dụng với nguồn điện một chiều thì chỉ có dòng
điện rò Ir, nhưng khi sử dụng với nguồn điện xoay chiều thì xuất hiện cả
hai dòng điện Ir và Ic đi xuyên qua lớp cách điện. Tương quan giữa hai
dòng điện này người ta gọi là hệ số tổn hao điện môi Tan delta (Tan δ =
Ir/Ic).
Dòng điện dung Ic phụ thuộc vào dung kháng của cáp. Dung kháng ký
hiệu là Zc, dung kháng của cáp được xác định theo công thức sau:
Zc = 1/C*2*π*f
Trong đó:
Zc = Dung kháng của cáp (Ω)
C = Điện dung của cáp (F)
π = 3,1416
f = Tần số của nguồn điện xoay chiều (Hz)
Và dòng điện dung Ic được tính như sau:
Ic= U/Zc
Trong đó:
U = Điện áp của nguồn điện (V)
Zc = Dung kháng của cáp (Ω)
Tới đây thì chúng ta đã thấy, dòng điện dung Ic càng lớn khi dung kháng
Zc của cáp càng nhỏ, và dung kháng của cáp càng nhỏ khi điện dung của
cáp càng lớn. Suy ra điện dung C của cáp càng lớn thì dòng điện dung Ic
càng lớn. Chúng ta cũng thấy rằng, khi điện áp sử dụng càng lớn thì
dòng điện dung Ic càng lớn; tần số nguồn điện càng lớn thì dòng điện
dung Ic càng lớn.
Vật liệu cách điện có hằng số điện môi càng lớn thì điện dung càng lớn,
dẫn đến dòng điện dung càng lớn. Đó cũng là một trong những lý do tại
sao người ta không sử những dụng vật liệu có hằng số điện môi lớn để
bọc cáp trung thế hoặc cao thế. Chỉ khi cáp được lắp đặt trong môi
trường khác biệt nào đó thì người người ta phải chọn một vật liệu phù
hợp với môi trường đó mà chấp nhận hằng số điện môi không được tốt
(ví dụ như cáp trung thế bọc cách điện dạng đàn hồi EPR để có được
tính năng chịu nước, mềm dẻo).
Dòng điện dung xuất hiện ngay khi đóng điện cho tuyến cáp, kể cả khi
không có tải. Dòng điện dung đã “lấy bớt” khả năng mang tải của tuyến
cáp (ví dụ khả năng ruột dẫn cáp, chiều dài và các điều kiện lắp đặt có
thể cho phép vận hành ở 1000A nhưng vì dòng điện dung đã chiếm hết
400A thì khả năng phục vụ tải của sợi cáp chỉ còn 600A). Dòng điện
dung làm giới hạn chiều dài lắp đặt của tuyến cáp, đặc biệt là các tuyến
cáp trung thế, cao thế. Khi tuyến cáp có chiều dài quá lớn, đến ngưỡng
giới hạn của nó, thì dòng điện dung có thể chiếm hết khả năng cung cấp
dòng cho tải tiêu thụ. Do đó chiều dài tuyến cáp hoặc dòng điện cung
cấp cho tải tiêu thụ bị giới hạn bởi vấn đề điện dung của cáp. Đối với các
tuyến cáp dài, đặc biệt là cáp trung thế, cao thế, siêu cao thế, để khắc
phục các vấn đề này thường thì người ta phải chấp nhận vận hành với
dòng tải thấp hơn nhiều dòng điện định mức của cáp hoặc sử dụng cáp
có điện áp có điện áp thiết kế cao hơn, hoặc song song cả hai cách.
Tuyến cáp có điện dung quá lớn cũng gây ra hiện tượng quá điện áp đầu
cuối, đặc biệt là khi vận hành non tải. Và khi ngắt điện đột xuất thì hiện
tượng quá điện áp cũng xảy ra rất nghiêm trọng, có thể vượt qua điện áp
lớn nhất cho phép của cáp (Umax). Điều này có thể gây hư hại cho các
thiết bị cũng như hư hại tuyến cáp.
Ngoài lý do chi phí cáp và chi phí lắp đặt thì điện dung của cáp cũng là
vấn đề lớn khi lựa chọn giải pháp truyền tải điện năng đi xa (chọn đường
dây trần lắp đặt trên không hay cáp bọc cách điện chôn ngầm dưới đất
hoặc dưới đáy biển). Đường dây trên không cũng có tính toán về điện
dung, nhưng điện dung ở đường dây trên không được tính cho khoảng
cách cách điện bằng không khí giữa các pha với nhau và giữa dây dẫn
với đất. Khi so sánh cùng mức điện áp, điện năng truyền tải, chiều dài
truyền tải thì vấn đề điện dung của tuyến cáp bọc cách điện lớn hơn hàng
chục lần so với đường dây trên không.
Đối với các tuyến cáp trung thế, cao thế dài hoặc đường dây trên không,
vì tính chất tích trữ năng lượng của nó (bao gồm cả yếu tố điện dung và
điện cảm) nên việc tiếp cận ngay sau khi vừa ngắt điện là rất nguy hiểm.
Do đó cần phải có các bảo hộ hoặc các biện pháp an toàn thích hợp để
xả hết năng lượng tích trữ trong cáp (bằng cách nối đất chẳng hạn) trước
khi tiếp cận.