Đăng ký thành viên

Hiểu về thiết kế tải trọng gió cho đường dây điện

Thiết kế đường dây truyền tải là một quá trình phức tạp đòi hỏi phải xem xét ngoài tốc độ gió thiết kế (Ảnh st)

Thông thường khi các sự kiện gió cực đoan xảy ra, tốc độ gió giật mạnh lớn nhất sẽ được báo cáo và là cơ sở so sánh với các tiêu chí thiết kế gió trong các quy phạm xây dựng, đặc biệt trong trường hợp công trình kỹ thuật bị hư hại. Tuy nhiên việc so sánh này không đơn giản và không hoàn toàn phù hợp khi áp dụng cho các đường dây điện.

Một Tiêu chuẩn Tải trọng ASCE mới có tên là “Tải trọng tối thiểu dùng cho các Kết cấu đỡ Đường dây điện trên không”. Theo dự kiến, sau khi có sự đồng thuận của ủy ban và ý kiến ​​của người dân, tiêu chuẩn này sẽ trở thành thực hành được chấp nhận trong ngành công nghiệp đường dây điện trên không (OPL).

Như bất kỳ tiêu chuẩn thiết kế nào, các yêu cầu danh nghĩa về khả năng chịu tải của kết cấu luôn gắn với một ngưỡng rủi ro nhất định. Nói cách khác, xác suất vượt quá tải trọng thiết kế là bao nhiêu? Đối với các tải trọng môi trường như gió, ngưỡng rủi ro này thường thể hiện bằng thuật ngữ “Tần suất lặp lại” hoặc “Khoảng thời gian tái diễn trung bình” (MRI), tính bằng số năm. Giá trị MRI của tốc độ gió thiết kế thường dùng để đánh giá hoặc so sánh mức độ bền vững của một kết cấu.

Nhằm ghi nhận vai trò ngày càng quan trọng của điện trong xã hội hiện đại, người ta so sánh tốc độ gió thiết kế với MRI áp dụng cho các công trình OPL với các quy chuẩn thiết kế khác đang sử dụng ở Mỹ. Bài viết này đề cập đến một số điểm khác biệt chính có thể đã không được cân nhắc dựa trên việc chỉ so sánh tốc độ gió thiết kế MRI.

Nhìn thoáng qua

Các quy định của Tiêu chuẩn ASCE/SEI 7: Tải trọng thiết kế tối thiểu và Các Tiêu chí liên quan cho các tòa nhà và các công trình khác (ASCE 7) sử dụng cho thiết kế kết cấu trên khắp nước Mỹ. ASCE 7 phân loại một công trình dựa trên mục đích sử dụng hoặc mục đích cư trú theo Danh mục rủi ro, như tóm tắt dưới đây:

Các kết cấu OPL được miễn trừ khỏi các điều khoản của ASCE 7, thay vì Sổ tay thực hành số 74 của ASCE: Hướng dẫn về tải trọng kết cấu đường dây truyền tải điện, Phiên bản thứ 4 (ASCE MoP 74). Ngược lại, tốc độ gió thiết kế danh định MRI trong ASCE MoP 74 và Quy tắc 250C NESC năm 2023 là 100 năm, với xác suất vượt quá tương ứng là 39% trong 50 năm. Xác suất vượt quá đã nêu cần hiểu là có liên quan đến từng kết cấu riêng lẻ trong một đường dây (tức là độ tin cậy của kết cấu), chứ không phải toàn bộ các kết cấu tạo nên một đường dây (tức là độ tin cậy của toàn bộ đường dây).

Các phiên bản trước đây của ASCE MoP 74 và NESC dựa trên tốc độ gió thiết kế danh định MRI trong 50 năm, tương ứng với xác suất vượt quá 64% trong 50 năm. Điều này dường như ngụ ý rằng đối với bất kỳ kết cấu OPL nào, tốc độ gió thiết kế sẽ có xác suất bị vượt quá ít nhất một lần trong suốt tuổi thọ kết cấu danh nghĩa 50 năm.

Xét về hình thức, có thể nhiều người cho rằng việc thiết kế một kết cấu OPL riêng lẻ với khả năng chịu tải thấp hơn so với nhu cầu và kỳ vọng là điều không hợp lý. Tuy nhiên, thực tế cho thấy tình trạng mất điện hoặc sự cố có thể xảy ra khi kết cấu gặp gió lớn, phần lớn các kết cấu OPL thiết kế theo các mức này vẫn không gặp sự cố trong suốt vòng đời của chúng. Điều đó cho thấy rằng, dù tốc độ gió thực tế có thể vượt quá tốc độ gió thiết kế, các kết cấu vẫn không bị hư hỏng nhờ khả năng chịu tải bổ sung từ các yếu tố dự phòng trong thiết kế.

Ngăn chặn sự cố là một chiến lược hiệu quả có thể áp dụng nhằm giảm thiểu mức độ thiệt hại khi xảy ra các sự kiện gió cực đoan (Ảnh st)

Hệ thống độc đáo

Đường dây điện là những hệ thống có kết cấu đặc biệt, với các ràng buộc và thách thức thiết kế khác biệt so với các kết cấu tòa nhà. Một trong những đặc điểm này là khả năng chống chịu sự cố của đường dây thường ở mức thấp hơn so với các công trình tòa nhà và điều đó là hoàn toàn hợp lý. Nguyên nhân là do sự cố của đường dây điện thường ít gây ra hậu quả nghiêm trọng đối với an toàn tính mạng, đồng thời hệ thống còn có khả năng định tuyến lại để tạo dự phòng và luôn có phương án phục hồi sau sự cố.

Ngăn chặn sự cố cũng là một chiến lược có thể áp dụng để hạn chế mức độ thiệt hại trong trường hợp xảy ra sự kiện cực đoan. Ngoài ra, các kỹ sư đã thực hiện nhiều thử nghiệm với kết cấu truyền tải trên quy mô đầy đủ cho đến khi kết cấu hư hỏng. Nhờ đó họ nắm chắc khả năng chịu tải của loại kết cấu này hơn so với phần lớn các loại kết cấu khác. Tiêu chuẩn tải ASCE mới sẽ đưa ra đầy đủ các giải pháp để ngăn chặn sự cố và lập kế hoạch khôi phục khi có sự cố xảy ra.

Thực tế cho thấy sự cố ở các kết cấu OPL gây ra hậu quả rất khác so với sự cố ở các kết cấu tòa nhà, nhất là về an toàn tính mạng và tác động xã hội. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa việc duy trì dịch vụ điện kém phần quan trọng trong xã hội hiện đại. Trái lại, các kỹ sư đã chủ động áp dụng các giải pháp kỹ thuật hợp lý để cân bằng giữa đặc điểm riêng của từng loại kết cấu với mục tiêu bảo đảm cung cấp điện an toàn, hiệu quả và giá thành hợp lý. Khi xem xét sự cân bằng này, các kỹ sư cần tính toán riêng tốc độ gió thiết kế theo chỉ số MRI.

Đường dây điện và ASCE 7

Các quy định về tải trọng gió cực đoan hiện tại trong ASCE 7 dựa trên thiết kế cường độ cực đại. Việc sử dụng bất kỳ MRI tốc độ gió thiết kế nào trong các quy định hiện tại của ASCE 7 về cơ bản đều giả định hệ số tải là 1,6 đối với gió cực đại. Các MRI tốc độ gió thiết kế này được phát triển để phù hợp với các quy trình tải trọng gió đi kèm trong tiêu chuẩn.

Tính nhất quán là vô cùng quan trọng. Đáng chú ý là các quy trình tải trọng gió sử dụng trong các hướng dẫn và khuyến nghị OPL hiện tại khác với các quy trình tạo thành cơ sở của ASCE 7. Một ví dụ về điều này là các quy trình tải trọng gió trong ASCE 7 cho phép giảm áp suất gió áp dụng thông qua việc sử dụng Hệ số hướng gió (Kd). Tham số này được gán giá trị danh định là 0,85 và dẫn đến giảm 15% áp suất gió thiết kế áp dụng cho tải trọng gió trên hầu hết các kết cấu tòa nhà. ASCE MoP 74 và các quy trình thiết kế OPL khác không xem xét đến việc giảm tương ứng và áp dụng giá trị cố định là 1,0 cho tham số Kd.

Nói cách khác, khi tính tải trọng gió thiết kế cho các kết cấu OPL, các kỹ sư áp dụng Tốc độ Gió Cơ bản đầy đủ và áp suất thiết kế tương ứng theo mọi hướng. Phương pháp này thường khiến tải trọng theo phương ngang đạt giá trị lớn nhất vì các dây OPL góp phần đáng kể vào tải trọng tổng. Thực tế này cho thấy nếu áp dụng trực tiếp chỉ số MRI tốc độ gió thiết kế trong ASCE 7 cùng với các quy trình tính tải trọng gió OPL thông thường, kết quả sẽ vượt xa mục tiêu thiết kế mà ASCE 7 đề ra. Tiêu chuẩn tải ASCE mới sẽ trình bày chi tiết cơ sở toán học của nội dung này, bài viết này không đi sâu vào phần đó.

Tóm lại, có thể đưa ra những tuyên bố so sánh sau đây giữa ASCE MoP 74 và ASCE 7:

• Việc sử dụng tốc độ gió MRI 50 năm với các quy trình tải trọng gió trong ASCE MoP 74 đáp ứng được mục đích sử dụng tốc độ gió MRI 120 năm với các quy trình tải trọng gió ASCE 7.
• Việc sử dụng tốc độ gió MRI 100 năm với các quy trình tải trọng gió trong ASCE MoP 74 đáp ứng được mục đích sử dụng tốc độ gió MRI 250 năm với các quy trình tải trọng gió ASCE 7.
• Việc sử dụng tốc độ gió MRI 300 năm với các quy trình tải trọng gió trong ASCE MoP 74 đáp ứng được mục đích sử dụng tốc độ gió MRI 800 năm với các quy trình tải trọng gió ASCE 7.

Nói cách khác, việc áp dụng tốc độ gió MRI cụ thể với các quy trình ASCE MoP 74 (và các quy trình tương tự) không tương đương với việc sử dụng cùng tốc độ gió MRI với các quy trình ASCE 7. Sự khác biệt trên đã mang ý nghĩa quan trọng. Bên cạnh đó, các thuộc tính khác trong thiết kế kết cấu đường dây điện cũng cần phân tích và trình bày ở các phần tiếp theo.

Sức chịu tải của các kết cấu OPL thường là sản phẩm của việc áp dụng nhiều trường hợp tải trọng – áp dụng thiết kế đồng sinh có khả năng chịu được nhiều tải trọng (Ảnh st)

Thiết kế đồng sinh

Khả năng của các kết cấu OPL thường là sản phẩm của việc áp dụng nhiều trường hợp tải trọng – một thiết kế đồng sinh có khả năng chống lại các tải trọng áp dụng. Trong số đó có các hướng dẫn và khuyến nghị, tải trọng theo luật định, trường hợp tải trọng lịch sử và trường hợp tải trọng do dự án hoặc chủ sở hữu chỉ định. Có thể cũng có các ví dụ khác.

Một điểm đáng chú ý trong phương pháp thiết kế này thường sẽ không có trường hợp tải trọng nào chi phối hoàn toàn các thành phần của tất cả kết cấu trong một đường dây. Thay vào đó, các kỹ sư thiết kế kết cấu OPL sẽ dựa trên việc xem xét nhiều trường hợp tải trọng khác nhau cùng với các yêu cầu phát sinh. Quá trình thiết kế này phải tính đến loại kết cấu, địa hình, góc đường dây, nhịp dây OPL, vị trí và các tiêu chí cụ thể của dự án.

Một số thiết kế cơ bản đã minh chứng rõ khả năng chống chịu với tốc độ gió MRI rất cao nhờ các kỹ sư tính đến nhiều trường hợp tải trọng khác trong quá trình thiết kế. Nói cách khác, việc tăng tốc độ gió thiết kế MRI ở các kết cấu này hầu như không làm thay đổi thiết kế cuối cùng. Tuy nhiên, kết quả này không đúng đối với tất cả kết cấu ở mọi vị trí.

Những khía cạnh này minh họa thêm cho khả năng kết cấu có thể bị bỏ qua khi chỉ so sánh tốc độ gió thiết kế MRI. Vì lý do thực tế, những loại so sánh này không thường được thực hiện trên các dự án. Nếu có, thì có lẽ sẽ là một bài tập khó. Tuy nhiên, có khả năng đây là một yếu tố góp phần đáng kể vào tính mạnh mẽ trong thực hành thiết kế OPL hiện tại. Thật không may, những đóng góp này cho thiết kế không được công khai mặc dù chúng có thể cung cấp một thiết kế đáng tin cậy hơn. Việc triển khai Tiêu chuẩn tải trọng ASCE mới sẽ mang lại sự thống nhất hơn trong các cân nhắc thiết kế này trên toàn ngành.

Tính toán vượt ra ngoài rủi ro

Ngoài rủi ro do tải trọng môi trường tính toán dựa trên chỉ số MRI, các mối nguy hại và yếu tố khác cũng ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của đường dây. Các kỹ sư thường thu hẹp phạm vi đánh giá bằng cách nhóm chúng thành hai loại: mối nguy hại về môi trường (ví dụ: gió, băng, động đất) và các mối nguy hiểm vận hành (ví dụ: tầm quan trọng, bảo trì, dự phòng và tải trọng dây không cân bằng ngăn ngừa sự cố liên tiếp). Dù đặt ra bất kỳ mức độ rủi ro mục tiêu nào, các kỹ sư cũng sẽ khó xác định chính xác vì sự không chắc chắn tồn tại trong mọi tính toán và điều kiện thực tế.

Một ví dụ cho thực tiễn này chính là cách các kỹ sư lựa chọn loại địa hình tiếp xúc với gió và cân nhắc liệu giả định đó có duy trì trong suốt vòng đời của đường dây hay không. Các kỹ sư thường chủ động giả định đường dây phơi nhiễm với địa hình mở, ngay cả khi khu vực xung quanh đã có nhiều công trình hoặc rừng rậm. Đây là cách tiếp cận thận trọng nhằm ứng phó với các yếu tố không chắc chắn. Tuy nhiên, tính thận trọng này dễ bị bỏ qua nếu nhóm thiết kế không rà soát kỹ tải trọng gió tổng hợp ở giai đoạn sau của dự án hoặc khi so sánh tốc độ gió thiết kế MRI với các tiêu chí khác.

Khi thiết kế và vận hành đường dây, các kỹ sư còn phải tính đến rủi ro do thảm thực vật xâm lấn hoặc các mảnh vụn bay theo gió gây ra. Những yếu tố này thường ảnh hưởng nghiêm trọng hơn đối với các đường dây phân phối so với các đường dây truyền tải, dù nguyên nhân cơ bản vẫn giống nhau. Với đường dây truyền tải, các kỹ sư có thể chủ động quản lý nguy cơ do thảm thực vật ở mức hợp lý nhằm giảm thiểu rủi ro. Bài viết này không đi sâu vào phân tích rủi ro từ thảm thực vật, vì thực tế ngành điện đã có biện pháp quản lý hợp lý đối với loại đường dây này. Ngược lại, việc quản lý thảm thực vật đối với đường dây phân phối thường phức tạp và khó khăn hơn nhiều.

Kết luận

Ngành điện tại Mỹ đã phát triển các quy trình và tiêu chí về tải trọng gió cho đường dây truyền tải (OPL) theo hướng riêng, khác biệt đáng kể so với các kết cấu khác. Nhiều yếu tố kỹ thuật và đặc thù ngành điện dẫn tới sự khác biệt này. Tuy nhiên, khi so sánh tốc độ gió thiết kế MRI trong ASCE 7 với các tiêu chuẩn thường áp dụng trong ngành điện, người ta thường chỉ tập trung vào chỉ số MRI tốc độ gió mà bỏ qua sự khác biệt trong quy trình tính toán tải trọng gió và tính năng thiết kế đặc trưng của từng phương pháp.

Khi nhóm biên soạn tiếp tục hoàn thiện Tiêu chuẩn Tải trọng ASCE mới, các kỹ sư vẫn cần tham khảo tiêu chí thiết kế trong ASCE 7. Tuy nhiên, ASCE 7 không nhất thiết phải quyết định mục tiêu, quy định kỹ thuật hay tiêu chí cuối cùng của tiêu chuẩn mới. Như Phạm vi của ASCE 7 đã nêu rõ, các quy định về tải trọng gió trong tài liệu này nhằm tạo ra "mức tính năng mong muốn". Trong quá trình xây dựng các tiêu chí tải trọng gió cho Tiêu chuẩn Tải trọng ASCE mới, nhóm biên soạn đang trao đổi và xác định "mức tính năng mong muốn" với quan điểm rõ ràng rằng mức này có thể khác với ASCE 7.

Nhìn về tương lai, các chuyên gia vẫn đang tích cực thảo luận về độ tin cậy và độ dẻo dai ở cấp độ kết cấu, đường dây, và các mức lưới điện. Những trao đổi này sẽ tiếp tục thúc đẩy việc xác lập và hoàn thiện "mức tính năng mong muốn" trong các phiên bản tiếp theo của Tiêu chuẩn tải trọng ASCE mới.

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “T&d world”, tháng 2/2025