Quản Lý Nhiệt Trong Lắp Đặt Cáp Điện Ngầm: Giải Pháp, Thách Thức & Công Nghệ

Tóm tắt: Quản lý nhiệt trong cáp điện ngầm ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tải, tuổi thọ và độ an toàn của hệ thống. Bài viết này phân tích chi tiết nguyên nhân phát nhiệt, các yếu tố ảnh hưởng, rủi ro nếu không kiểm soát tốt và đưa ra các giải pháp kỹ thuật từ cơ bản đến nâng cao, phù hợp cho kỹ sư thiết kế, nhà thầu và chuyên viên vận hành.

1. Tại sao nhiệt phát sinh trong cáp điện ngầm?

Nhiệt trong cáp sinh ra do sự tiêu tán năng lượng điện thành nhiệt, với các nguồn chính sau:

• Tổn hao I²R: Dòng điện chạy qua dây dẫn gây ra tổn hao theo công thức Q = I²R — nguồn nhiệt lớn nhất.
• Tổn hao điện môi: Lớp cách điện (XLPE, PVC) gây tổn hao khi chịu điện áp xoay chiều, sinh nhiệt bổ sung.
• Dòng điện xoáy và màn chắn: Các lớp màn chắn kim loại có thể sinh dòng xoáy, dẫn đến tổn hao và nóng cục bộ.
• Điều kiện môi trường: Loại đất, độ ẩm, cấu trúc rãnh/ống dẫn ảnh hưởng rất lớn tới khả năng tản nhiệt.

2. Yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt

2.1 Loại đất và độ ẩm

Đất ẩm (đất sét ướt) có dẫn nhiệt tốt, trong khi đất cát khô hoặc nhiều đá tạo ra vùng cách nhiệt kém, dễ hình thành điểm nóng.

2.2 Độ sâu chôn & bố trí tuyến

Chôn quá sâu làm giảm trao đổi nhiệt với bề mặt; đặt nhiều cáp sát nhau trong rãnh hoặc trong cùng ống sẽ gây cộng hưởng nhiệt, làm tăng nhiệt độ chung.

2.3 Vật liệu ống bảo vệ & backfill

Ống HDPE/PVC có tính cách nhiệt hơn ống kim loại; việc dùng thermal backfill (vật liệu lấp dẫn nhiệt cao) hỗ trợ truyền nhiệt khỏi cáp hiệu quả hơn so với đất tự nhiên.

3. Hậu quả khi không quản lý nhiệt tốt

• Giảm tuổi thọ cách điện: Vật liệu cách điện xuống cấp nhanh hơn, dẫn đến rò rỉ, phóng điện cục bộ.
• Giảm khả năng tải: Cáp phải vận hành ở mức tải thấp hơn để tránh quá nhiệt, làm lãng phí năng lực hệ thống.
• Rủi ro an toàn: Nhiệt cao lâu ngày có thể gây hư hỏng nghiêm trọng và sự cố cháy nổ.
• Tăng chi phí vận hành: Sự cố, thay thế cáp, chi phí sửa chữa đều tăng.

4. Các giải pháp kỹ thuật quản lý nhiệt

4.1 Thiết kế & tính toán chính xác

Dùng phần mềm mô phỏng nhiệt (FEA, phần mềm tính ampacity theo tiêu chuẩn IEC/IEEE) để mô phỏng phân bố nhiệt tại các kịch bản tải khác nhau, từ đó chọn tiết diện cáp, khoảng cách giữa cáp và vật liệu lấp phù hợp.

4.2 Vật liệu lấp chuyên dụng (Thermal backfill)

Thermal backfill có độ dẫn nhiệt cao và ít thay đổi khi khô, giúp cải thiện truyền nhiệt từ vỏ cáp ra môi trường đất. Đây là giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả cho nhiều dự án.

4.3 Bố trí cáp hợp lý

Tăng khoảng cách giữa các cáp, tránh đặt quá nhiều tuyến cáp trong cùng một ống hoặc rãnh. Khi cần bố trí dày đặc, cân nhắc dùng khay tản nhiệt hoặc ống dẫn lớn hơn để giảm tương tác nhiệt.

4.4 Giám sát tuyến cáp

Sử dụng DTS (Distributed Temperature Sensing) bằng sợi quang, hoặc cảm biến nhiệt rải dọc tuyến để theo dõi nhiệt độ theo thời gian thực và phát cảnh báo khi xuất hiện điểm nóng.

4.5 Chất bôi trơn khi kéo cáp

Trong quá trình kéo cáp vào ống, ma sát có thể sinh nhiệt và làm hỏng lớp vỏ. Dùng chất bôi trơn chuyên dụng giảm lực kéo, hạn chế sinh nhiệt và bảo vệ lớp cách điện.

4.6 Làm mát chủ động

Với các ứng dụng mật độ tải cao, làm mát bằng nước hoặc không khí cưỡng bức giúp kiểm soát nhiệt hiệu quả — tuy nhiên chi phí đầu tư và bảo trì cao hơn nên cần đánh giá kỹ.

5. Tiêu chuẩn & phương pháp tính

Các tiêu chuẩn hỗ trợ tính toán ampacity và mô phỏng nhiệt bao gồm:

• IEC 60287 – Tính tổn hao điện và phân bố nhiệt trên cáp.
• IEEE 835 – Phương pháp tính/thử ampacity.
• IEC 60853-1 – Xác định ampacity theo chu kỳ nhiệt.
• NEC (Article 310.15) – Hệ số hiệu chỉnh ampacity (áp dụng ở Mỹ).

6. Xu hướng công nghệ

Một số xu hướng đáng chú ý giúp tối ưu quản lý nhiệt:

• Vật liệu nano & composite cho backfill: Tăng dẫn nhiệt, duy trì độ ẩm.
• Cáp có lớp giáp/hợp kim dẫn nhiệt cải tiến: giảm điểm nóng cục bộ.
• Mô phỏng số & AI: dự đoán điểm nóng dựa trên dữ liệu vận hành lịch sử.
• Giám sát IoT & DTS: cảnh báo sớm và hỗ trợ vận hành dự đoán (predictive maintenance).

7. Lời khuyên thực tế cho chủ dự án & nhà thầu

• Thực hiện khảo sát địa chất trước khi thiết kế để lựa chọn vật liệu lấp phù hợp.
• Ưu tiên thiết kế cho khả năng bảo trì, rút cáp thay thế trong tương lai (future-proof ducts).
• Tích hợp hệ thống giám sát nhiệt cho tuyến cáp có tải quan trọng.
• Đào tạo thợ kéo cáp về việc sử dụng chất bôi trơn và quy trình kéo đúng kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Q: Cáp trong ống hay chôn trực tiếp tản nhiệt tốt hơn?

A: Có nhiều yếu tố ảnh hưởng. Cáp chôn trực tiếp tiếp xúc trực tiếp với đất, nếu đất dẫn nhiệt tốt thì tản nhiệt hiệu quả. Cáp trong ống có thêm lớp cách nhiệt; nhưng nếu kết hợp ống lớn và thermal backfill thì ống dẫn vẫn cho hiệu quả tản nhiệt tốt và thuận tiện cho bảo trì.

Q: Thermal backfill là gì và có cần thiết?

A: Thermal backfill là vật liệu lấp đặc biệt có độ dẫn nhiệt cao, dùng để tăng khả năng truyền nhiệt khỏi cáp. Rất hữu ích ở vùng đất cát khô hoặc những tuyến cáp mật độ cao.

Q: Làm sao phát hiện điểm nóng trên tuyến dài?

A: Dùng hệ thống DTS (sợi quang phân tán nhiệt) hoặc cảm biến nhiệt định vị dọc tuyến, cho phép phát hiện điểm nóng tức thời và định vị chính xác để can thiệp.

© Thiết bị Kỹ thuật Sông La — Tư vấn & cung cấp giải pháp an toàn điện. Mọi thông tin bản quyền thuộc về công ty.

Địa chỉ: [Điền địa chỉ văn phòng]