Đăng ký thành viên

Ra mắt máy cắt điện CO2 siêu tới hạn đầu tiên

Máy cắt điện cao áp của Georgia Tech dập tắt hồ quang bằng CO₂ siêu tới hạn (Ảnh st)

Tháng 3/2025, các nhà nghiên cứu của Học viện Công nghệ Georgia (Georgia Tech, Mỹ) đã bắt đầu thử nghiệm một máy cắt điện cao áp có thể dập tắt hồ quang và giải trừ chạm chập bằng chất lỏng cacbon dioxide siêu tới hạn. Thiết bị đầu tiên thuộc loại này đã có thể thay thế các máy cắt điện cao áp thông thường vốn sử dụng khí nhà kính mạnh lưu huỳnh hexafluoride, hay còn gọi là SF₆, vốn phân bố rộng rãi khắp lưới điện như một cách để ngắt dòng điện trong trường hợp khẩn cấp.

Johan Enslin, Giám đốc chương trình tại Cơ quan Dự án Nghiên cứu Năng lượng Tiên tiến của Mỹ (ARPA-E), đơn vị đã tài trợ cho nghiên cứu này, cho biết: "SF₆ là chất cách điện tuyệt vời, nhưng lại rất có hại cho môi trường - có lẽ là loại khí nhà kính tệ nhất mà bạn có thể nghĩ đến." Ông lưu ý rằng tiềm năng gây hiệu ứng khí nhà kính (GWP) của SF₆ cao gấp gần 25.000 lần so với cacbon dioxide (CO₂). Nếu thành công, phát minh do các nhà nghiên cứu tại Học viện Công nghệ Georgia phát triển này có thể có tác động lớn đến phát thải khí nhà kính do hàng trăm nghìn máy cắt nằm rải rác trên các lưới điện toàn cầu và hầu hết các máy cắt điện cao áp đều sử dụng SF₆ để cách điện.

Một bộ ngắt điện cao áp, như máy do GE Vernova (Mỹ) chế tạo, ngắt dòng điện bằng cách tạo ra một khe hở cơ khí và hồ quang, sau đó thổi khí áp suất cao qua khe hở này và dừng dòng điện bằng cách hấp thụ các electron tự do và dập tắt hồ quang khi độ bền điện môi của khí tăng lên. Ngoài ra, các sản phẩm phụ của SF₆ còn độc hại đối với người. Sau khi khí này dập tắt hồ quang, nó có thể phân giải thành các chất có thể kích thích hệ hô hấp. Những người làm việc trên thiết bị cách điện bằng SF₆ phải đeo máy thở toàn phần và quần áo bảo hộ. Liên minh Châu Âu (EU) và bang California (Mỹ) đang loại bỏ dần việc sử dụng SF₆ và các khí có chứa flo khác (các khí F) trong thiết bị điện, và một số cơ quan điều tiết khác cũng đang làm theo.

Để ứng phó, các nhà nghiên cứu trên toàn cầu đang chạy đua để phát triển các giải pháp thay thế. Trong năm năm qua, ARPA-E đã tài trợ cho 15 dự án máy cắt điện giai đoạn đầu khác nhau. Và GE Vernova đã phát triển các sản phẩm cho thị trường châu Âu sử dụng một hỗn hợp khí bao gồm khí F, nhưng chỉ bằng một phần nồng độ của các máy cắt SF₆ thông thường.

Tái sáng chế các máy cắt điện bằng các máy cắt điện CO₂ siêu tới hạn

Công việc của một máy cắt điện quy mô lưới điện là ngắt dòng điện khi có sự cố xảy ra, chẳng hạn như chạm chập do sét đánh. Các thiết bị này nằm khắp nơi trong các trạm biến áp, nhà máy điện, mạng lưới truyền tải và phân phối, và các cơ sở công nghiệp nơi thiết bị hoạt động ở mức điện áp từ vài chục đến vài trăm kilovolt.

Không giống như các máy cắt điện gia đình có thể cách ly một chạm chập bằng một khe hở không khí nhỏ, các máy cắt quy mô lưới điện cần một thứ gì đó đáng kể hơn. Hầu hết các máy cắt điện cao áp đều dựa vào một bộ ngắt mạch cơ khí đặt trong một vỏ bọc chứa SF₆, là một loại khí cách ly không dẫn điện. Khi chạm chập xảy ra, thiết bị này sẽ ngắt mạch bằng cách tạo ra một khe hở cơ học và một hồ quang, và sau đó thổi khí áp suất cao qua khe hở này, hấp thụ các electron tự do và dập tắt hồ quang khi độ bền điện môi của khí này tăng lên.

Trong thiết kế của Georgia Tech, cacbon dioxide siêu tới hạn được sử dụng để dập tắt hồ quang. Các nhà khoa học tạo ra chất lưu^(*) này bằng cách đặt CO₂ dưới áp suất và nhiệt độ rất cao, biến nó thành một chất ở dạng giữa chất khí và chất lỏng. Vì CO₂ siêu tới hạn khá đặc, nó có thể dập tắt hồ quang và tránh việc mồi lại hồ quang mới bằng cách giảm động lượng của các electron - hoặc ít nhất đó là theo lý thuyết.

Dưới sự chỉ đạo của Lukas Graber, Giám đốc Phòng thí nghiệm plasma và các điện môi của Georgia Tech, nhóm nghiên cứu này sẽ chạy máy cắt xoay chiều (AC) nguyên mẫu 72kV của mình qua một mạch thử nghiệm điện tổng hợp tại Đại học Wisconsin–Milwaukee (Mỹ) bắt đầu từ cuối tháng 4. Nhóm này cũng đang chế tạo một máy cắt phiên bản 245kV.

Việc sử dụng CO₂ siêu tới hạn không phải là mới, nhưng việc thiết kế một máy cắt điện chứa nó thì mới. Thách thức là chế tạo máy cắt với các thành phần có thể chịu được áp suất cao cần thiết để duy trì CO₂ siêu tới hạn.

Nhóm nghiên cứu đã tìm đến ngành công nghiệp dầu mỏ để tìm các bộ phận và đã tìm thấy tất cả ngoại trừ một thứ, đó là cách điện xuyên. Thành phần quan trọng này đóng vai trò là đường dẫn để mang dòng điện qua vỏ thiết bị. Nhưng chưa có cách điện xuyên nào có thể chịu được áp suất 120ata (atmosphe kỹ thuật). Vì vậy, Georgia Tech đã tự chế tạo bằng cách sử dụng nhựa epoxy chứa đầy khoáng chất, vật dẫn bằng đồng, ống thép và các mặt bích chưa gia công.

Enslin cho biết thiết kế nhỏ gọn của máy cắt của Georgia Tech cũng sẽ cho phép nó lắp vừa bên trong những không gian chật hẹp hơn mà không làm giảm mật độ dòng điện. Việc thay thế các máy cắt hiện có của trạm biến áp bằng thiết kế này sẽ cần một số điều chỉnh, bao gồm việc bổ sung thêm một máy bơm nhiệt ở gần đó để quản lý nhiệt của máy cắt.

Nếu các thử nghiệm trên mạch điện tổng hợp diễn ra thành công, Graber có kế hoạch chạy máy cắt qua một loạt các mô phỏng thực tế tại Phòng thí nghiệm KEMA ở Chalfont, bang Pennsylvania (Mỹ), cơ sở xác nhận đạt tiêu chuẩn vàng.

Nhóm nghiên cứu Georgia Tech đã chế tạo máy cắt của mình bằng các bộ phận có thể chịu được những áp suất rất cao của CO₂ siêu tới hạn (Ảnh st)

GE Vernova tiếp thị máy cắt thay thế SF₆

Nếu máy cắt của Georgia Tech được đưa ra thị trường, nó sẽ phải cạnh tranh với các sản phẩm của GE Vernova là công ty đã có 20 năm khởi đầu trong việc phát triển máy cắt không chứa SF₆. Năm 2018, công ty này đã lắp đặt trạm biến áp cách điện bằng khí không chứa SF₆ đầu tiên tại Châu Âu, bao gồm một máy cắt điện xoay chiều (AC) lớp 145kV cách điện bằng hỗn hợp khí g3. Khí này bao gồm CO₂, oxy và một lượng nhỏ C₄F₇N, hay còn gọi là heptafluoroisobutyronitrile. Khí nhà kính có chứa flo này cũng không tốt cho môi trường. Nhưng nó chiếm ít hơn 5% hỗn hợp khí, do đó nó làm giảm tiềm năng hiệu ứng nhà kính tới 99% so với SF₆. Điều đó khiến tiềm năng gây hiệu ứng ấm lên vẫn cao hơn nhiều so với CO₂ và mêtan, nhưng đó là một khởi đầu.

Ông Todd Irwin, một chuyên gia sản phẩm cao cấp về máy cắt điện cao áp tại GE Vernova, cho biết: “Một trong những lý do chúng tôi sẽ sử dụng công nghệ này là vì chúng tôi có thể chế tạo một máy cắt không sử dụng SF₆, có thể bắt bulông vừa y nguyên vào nền móng của máy cắt SF₆ tương đương của chúng tôi.” Đây là một giải pháp thay thế trực tiếp có thể “lắp ngay vào trạm biến áp mà không cần thay đổi kết cấu,” ông nói. Tuy nhiên, công nhân vẫn phải mặc đầy đủ đồ bảo hộ khi bảo trì hoặc sửa chữa thiết bị - như khi làm việc với thiết bị sử dụng SF₆. Ông cũng nói thêm rằng GE Vernova đang sản xuất một loại máy cắt đặc biệt gọi là máy cắt thùng dầu mang điện mà không chứa thành phần có chứa flo.

Tất cả các phương pháp này, bao gồm cả CO₂ siêu tới hạn của Georgia Tech, đều phụ thuộc vào tác động cơ học để mở và đóng mạch điện. Điều này tốn rất nhiều thời gian trong trường hợp xảy ra chạm chập. Điều đó đã truyền cảm hứng cho nhiều nhà nghiên cứu chuyển sang chất bán dẫn, có thể thực hiện chuyển mạch nhanh hơn nhiều và không cần khí để ngắt dòng điện.

Enslin tại ARPA-E cho biết: “Với tác động cơ học, có thể mất tới bốn hoặc năm chu kỳ để giải trừ chạm chập và đó là lượng năng lượng lớn mà bạn phải hấp thụ.” Ông cho biết một chất bán dẫn có khả năng thực hiện điều đó trong một mili giây hoặc ít hơn. Nhưng quá trình phát triển thương mại các máy cắt bán dẫn này vẫn đang trong giai đoạn đầu và tập trung vào các điện áp trung áp. Enslin cho biết: “Sẽ mất một thời gian để đưa chúng lên điện áp cao yêu cầu.”

Công việc này có thể mang tính chuyên biệt, nhưng tác động có thể rất lớn. Khoảng 1% SF₆ rò rỉ từ thiết bị điện. Năm 2018, con số đó tương đương với 8.200 tấn SF₆ phát thải ra trên toàn cầu, chiếm khoảng 1% giá trị ấm lên toàn cầu trong năm đó.

Biên dịch: Bùi Thị Thu Hường

Theo “ieee”, tháng 4/2025