Hướng dẫn sử dụng cáp điện và cáp truyền tải trên không

Tìm hiểu cáp truyền tải điện trong hệ thống điện hiện đại

Cáp truyền tải điện tạo thành xương sống vật lý của mọi lưới điện quốc gia và khu vực. Vai trò của nó là truyền năng lượng điện số lượng lớn ở điện áp cao từ các trạm phát điện - dù là đốt than, hạt nhân, thủy điện hay tái tạo - qua khoảng cách xa đến các trạm biến áp hạ điện áp để phân phối cục bộ. Các quyết định kỹ thuật trong việc lựa chọn cáp truyền tải có những hậu quả trực tiếp đến độ tin cậy của lưới điện, hiệu quả sử dụng năng lượng, chi phí vốn và chi phí vận hành dài hạn mà các công ty điện lực và người trả phí phải gánh chịu. Do đó, hiểu được điểm khác biệt của loại dây dẫn này với loại dây dẫn khác và yếu tố nào chi phối việc lựa chọn cho một dự án cụ thể là kiến ​​thức nền tảng cho các kỹ sư điện, chuyên gia mua sắm và nhà quy hoạch cơ sở hạ tầng.

Truyền tải điện hiện đại hoạt động ở các cấp điện áp từ 66 kV trên các lộ truyền tải phụ đến 1.100 kV trên các bộ kết nối dòng điện một chiều siêu cao áp (UHVDC) trải dài hàng nghìn km. Ở mọi cấp điện áp, cáp truyền tải điện phải đồng thời giảm thiểu tổn thất điện trở, duy trì tính toàn vẹn về mặt cơ học dưới tải trọng gió, băng và nhiệt, đồng thời duy trì khả năng sử dụng trong tuổi thọ thiết kế thường vượt quá 40 năm. Những nhu cầu này định hình mọi khía cạnh của thiết kế dây dẫn, từ việc lựa chọn hình học kim loại dẫn điện và mặt cắt ngang đến việc lựa chọn vật liệu gia cố lõi và độ hoàn thiện bề mặt.

Cáp truyền tải trên cao và cáp ngầm: Sự cân bằng cốt lõi

Lựa chọn thiết kế cơ bản nhất trong bất kỳ dự án truyền tải nào là định tuyến điện trên cao hay dưới lòng đất. Cáp truyền tải trên cao thống trị cơ sở hạ tầng truyền tải điện áp cao toàn cầu vì các lý do kinh tế và kỹ thuật đã được xác định rõ ràng, nhưng cáp ngầm đã mở rộng đáng kể ở các hành lang đô thị và nhạy cảm với môi trường, nơi việc định tuyến trên không là không thực tế hoặc không thể chấp nhận được về mặt chính trị.

Cáp truyền tải trên cao được treo giữa các tháp lưới thép hoặc cột bê tông sử dụng dây cách điện nhằm cung cấp khoảng cách điện cần thiết giữa dây dẫn mang điện và cấu trúc đỡ nối đất. Bởi vì không khí xung quanh đóng vai trò là môi trường cách điện nên dây dẫn trên cao không cần lớp cách nhiệt ép đùn tốn kém - dây dẫn để trần, tiếp xúc trực tiếp với khí quyển. Điều này giúp loại bỏ chi phí vật liệu đáng kể, giúp việc tản nhiệt trở nên đơn giản và cho phép kiểm tra và bảo trì trực quan mà không cần đào. Chi phí vốn của truyền tải trên không thường thấp hơn từ ba đến mười lần trên mỗi km so với mạch cáp ngầm tương đương ở điện áp truyền tải, đó là lý do tại sao định tuyến trên cao vẫn là lựa chọn mặc định cho các tuyến nông thôn và xuyên quốc gia trên toàn thế giới.

Ngược lại, cáp truyền tải điện ngầm sử dụng lớp cách điện bằng polyetylen liên kết ngang (XLPE) được bao quanh bởi màn chắn kim loại và vỏ bảo vệ để cách ly dây dẫn mang điện với đất xung quanh. Công trình này giúp loại bỏ tình trạng mất điện liên quan đến thời tiết do gió, băng và sét - nguyên nhân chính gây ra sự cố đường dây trên không - nhưng đặt ra những thách thức vận hành khác bao gồm dòng sạc điện dung cao hơn trong khoảng cách xa, vị trí sự cố phức tạp hơn cũng như thời gian và chi phí sửa chữa lớn hơn đáng kể khi xảy ra hư hỏng. Đối với các dự án truyền tải trong môi trường đô thị đông đúc, giao cắt với tàu ngầm hoặc các khu vực có yêu cầu nghiêm ngặt về bảo vệ cảnh quan, cáp ngầm là lựa chọn cần thiết dù chi phí cao hơn.

Các loại dây dẫn chính được sử dụng trong cáp truyền tải trên không

Dây dẫn là trái tim của bất kỳ cáp truyền tải trên không nào. Một loạt các kết cấu dây dẫn đã được phát triển trong thế kỷ qua để tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ dẫn điện, độ bền cơ học, trọng lượng và chi phí cho các độ dài nhịp, loại địa hình và điều kiện tải khác nhau. Bảng sau đây tóm tắt các họ dây dẫn được triển khai rộng rãi nhất trong các ứng dụng truyền tải điện áp cao:

ACSR (Dây dẫn bằng thép gia cố bằng nhôm) vẫn là loại dây dẫn cáp truyền tải trên không được lắp đặt rộng rãi nhất trên toàn cầu nhờ chuỗi cung ứng hoàn thiện, hoạt động cơ học được hiểu rõ và chi phí cạnh tranh. Tuy nhiên, áp lực ngày càng tăng nhằm tối đa hóa công suất trên các hành lang truyền tải hiện có mà không cần xây dựng các đường tháp mới đã thúc đẩy việc áp dụng nhanh chóng các dây dẫn HTLS (Nhiệt độ thấp-Độ võng) và các thiết kế lõi tổng hợp như ACCC, có thể hoạt động liên tục ở nhiệt độ 150–210°C so với giới hạn 75–90°C của ACSR trong khi vẫn duy trì các biên dạng có độ võng thấp hơn để duy trì các yêu cầu về khoảng sáng gầm theo luật định.

Các thông số hiệu suất điện chi phối việc lựa chọn dây dẫn

Việc lựa chọn cáp truyền tải điện phù hợp cho một dự án cụ thể đòi hỏi phải đánh giá định lượng một số thông số hiệu suất điện phụ thuộc lẫn nhau. Mỗi tham số tương tác với các tham số khác và tối ưu hóa cho một tham số — chẳng hạn như giảm thiểu tổn thất điện trở — có thể yêu cầu cân bằng giữa trọng lượng dây dẫn, tải trọng của tháp hoặc chi phí vốn.

Độ khuếch đại và xếp hạng nhiệt

Cường độ dòng điện - dòng điện liên tục tối đa mà dây dẫn có thể mang mà không vượt quá nhiệt độ thiết kế - là thông số công suất chính cho bất kỳ đường dây truyền tải nào. Nó được xác định bởi sự cân bằng giữa nhiệt lượng Joule (tổn thất I2R) và tản nhiệt ra môi trường thông qua đối lưu, bức xạ và dẫn nhiệt. Dây dẫn ACSR tiêu chuẩn trên tháp mạch đôi 400 kV điển hình có thể mang 1.000–1.500 A mỗi pha trong điều kiện định mức bình thường. Hệ thống xếp hạng đường truyền động (DLR) sử dụng dữ liệu thời tiết theo thời gian thực để tính toán công suất thực tế có thể tăng thêm 10–30% công suất từ ​​cơ sở hạ tầng cáp truyền tải trên cao hiện có mà không cần bất kỳ sửa đổi vật lý nào đối với dây dẫn.

Điện trở và tổn thất đường dây

Điện trở DC của dây dẫn tỷ lệ nghịch với tiết diện của nó và tỷ lệ thuận với điện trở suất của kim loại dẫn điện. Đối với nhôm ở 20°C, điện trở suất xấp xỉ 2,82 × 10⁻⁸ Ω·m. Một dây dẫn ACSR 400 mm² trên đường dây 400 kV mang 1.000 A tiêu tán khoảng 28 kW mỗi km dưới dạng nhiệt — tổn thất tích lũy đến hàng chục gigawatt giờ mỗi năm trên một bộ kết nối chính. Đây là lý do tại sao việc chọn tiết diện dây dẫn lớn hơn mức yêu cầu tối thiểu để tuân thủ nhiệt thường hợp lý về mặt kinh tế khi giá trị hiện tại của tổn thất năng lượng tránh được trong vòng đời 40 năm của đường dây vượt quá chi phí gia tăng của dây dẫn nặng hơn và tháp chắc chắn hơn.

Sự can thiệp của Corona và vô tuyến

Ở điện áp truyền tải trên 110 kV, cường độ điện trường ở bề mặt dây dẫn có thể vượt quá ngưỡng ion hóa của không khí, tạo ra phóng điện vầng hào quang - hiện tượng đánh thủng một phần tạo ra tiếng ồn có thể nghe được, nhiễu tần số vô tuyến và mất điện thực. Hiệu suất Corona bị chi phối chủ yếu bởi độ dốc bề mặt dây dẫn, độ dốc này được giảm bằng cách tăng đường kính dây dẫn (thông qua bó hoặc sử dụng dây dẫn lõi mở rộng) và bằng cách duy trì bề mặt mịn, sạch. Các thiết kế cáp truyền tải trên không hiện đại cho điện áp 220 kV trở lên hầu như đều sử dụng các dây dẫn đi kèm - hai, ba hoặc bốn dây dẫn phụ mỗi pha - đồng thời giảm độ dốc bề mặt, độ tự cảm thấp hơn và tăng độ khuếch đại.

Những cân nhắc về thiết kế cơ khí cho đường dây truyền tải trên không

Thiết kế cơ khí của hệ thống cáp truyền tải trên cao cũng đòi hỏi khắt khe như thiết kế điện của nó. Dây dẫn phải chịu được tải trọng tổng hợp của chính trọng lượng của chúng, áp lực gió lên khu vực dự kiến ​​và sự tích tụ băng trên bề mặt dây dẫn - tất cả đồng thời trong các trường hợp thời tiết xấu nhất. Độ căng thiết kế trong dây dẫn, độ võng ở nhiệt độ vận hành tối đa và khoảng cách với mặt đất, với các pha khác và với cấu trúc tháp đều phải duy trì trong giới hạn quy định trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ và điều kiện tải được dự đoán trong suốt vòng đời của đường dây.

• Căng thẳng hàng ngày (EDT): Giới hạn độ căng của dây dẫn ở điều kiện hàng ngày (thường là 15°C, không có gió, không có băng) ở mức 20–25% độ bền kéo định mức (RTS) để kiểm soát độ mỏi ở các kẹp treo do rung động Aeolian gây ra - dao động hình sin gây ra bởi gió tầng ổn định chạy qua dây dẫn.
• Căng thẳng tối đa: Trong trường hợp tải trọng điều chỉnh (thường là gió tối đa hoặc băng tối đa, tùy thuộc vào vị trí địa lý), độ căng của dây dẫn không được vượt quá 50–75% RTS để duy trì hệ số an toàn đầy đủ chống lại hiện tượng đứt kéo.
• Tính toán độ võng: Đường cong dây xích được hình thành bởi một dây dẫn dưới tác dụng của trọng lực xác định độ võng của nó ở giữa nhịp. Khi nhiệt độ dây dẫn tăng khi chịu tải, độ giãn dài do nhiệt sẽ tăng độ võng - làm giảm khoảng sáng gầm. Đây là hạn chế cơ bản làm hạn chế nhiệt độ hoạt động của ACSR thông thường và thúc đẩy việc sử dụng dây dẫn HTLS có độ võng thấp trong các hành lang hạn chế về nhiệt.
• Giảm chấn rung: Bộ giảm chấn Stockbridge - thiết bị lò xo khối được điều chỉnh được kẹp vào dây dẫn gần các điểm treo - hấp thụ năng lượng rung động của Aeilian và ngăn ngừa nứt do mỏi các sợi nhôm bên ngoài, đây là dạng hư hỏng cơ học dài hạn phổ biến nhất trong lắp đặt cáp truyền tải trên không.

Tiêu chuẩn quốc tế quản lý đặc điểm kỹ thuật cáp truyền dẫn

Việc mua sắm cáp truyền tải điện cho các dự án tiện ích và cơ sở hạ tầng đòi hỏi phải tuân thủ các tiêu chuẩn khu vực hoặc quốc tế được công nhận, trong đó quy định rõ kết cấu dây dẫn, đặc tính vật liệu, dung sai kích thước và phương pháp thử nghiệm. Các nhóm tiêu chuẩn chính là IEC (Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế), ASTM (Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ) và BS EN (Tiêu chuẩn Anh/Châu Âu), với sự điều chỉnh theo quốc gia tại các thị trường lớn bao gồm Trung Quốc (GB/T), Ấn Độ (IS) và Úc (AS).

IEC 61089 và IEC 62219 kế thừa của nó bao gồm các dây dẫn tròn đồng tâm nằm trên các dây dẫn điện mắc kẹt trên cao, chỉ định các đặc tính cơ và điện của ACSR, AAAC và các loại dây dẫn liên quan. IEC 62004 đề cập đến dây hợp kim nhôm nhiệt độ cao dành cho dây dẫn HTLS. Đối với cáp truyền tải ngầm, IEC 60840 (điện áp trên 30 kV đến 150 kV) và IEC 62067 (trên 150 kV) xác định các yêu cầu thử nghiệm điển hình và thử nghiệm thường xuyên đối với cáp điện cách điện dạng đùn. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này — được chứng minh thông qua thử nghiệm loại của bên thứ ba và kiểm tra chất lượng nhà máy được công nhận — là yêu cầu mua sắm bắt buộc đối với hầu hết các dự án truyền tải tiện ích công cộng trên toàn cầu, đảm bảo rằng cáp truyền tải điện được lắp đặt trong cơ sở hạ tầng quan trọng đáp ứng các tiêu chuẩn về hiệu suất và an toàn được các cơ quan kỹ thuật độc lập xác nhận.