Quy định kỹ thuật các trạm biến áp thứ cấp nhỏ gọn dùng cho các môi trường khắc nghiệt

Nhà máy điện mặt trời nổi trên hồ Lac des Toules, Thụy Sĩ (Ảnh st)

Để thực sự khai thác sức mạnh của thiên nhiên cho việc phát điện tái tạo, xây dựng các nhà máy điện ở những địa điểm khắc nghiệt và xa xôi đang ngày càng trở nên phổ biến. 

Quy định kỹ thuật các trạm biến áp thứ cấp nhỏ gọn (CSS) dùng cho các môi trường này cần phải cân nhắc cẩn thận. Chúng phải dễ vận chuyển, lắp đặt đơn giản và đủ chắc chắn để đem lại tuổi thọ dài cho hệ thống, bất chấp nhiệt độ cực đoan, độ ẩm và độ mặn.

Các tiêu chí quan trọng của trạm biến áp thứ cấp nhỏ gọn ở các địa điểm xa xôi

Việc phát triển các nhà máy điện tái tạo trong môi trường khắc nghiệt và khó tiếp cận đòi hỏi các sản phẩm phải nhẹ để vận chuyển nhưng đủ chắc chắn để chịu được các điều kiện cực đoan.

Sau khi lắp đặt, vỏ bọc bên ngoài thiết bị phải đủ chắc chắn để bảo vệ tất cả các thành phần nhạy cảm bên trong trong suốt tuổi thọ của thiết bị, việc bảo trì hoặc can thiệp phải ở mức tối thiểu, đặc biệt là ở những khu vực địa lý khó tiếp cận.

CSS phải bảo vệ các thành phần điện nhạy cảm trước các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ cực đoan, độ ẩm, độ mặn, cùng với các cân nhắc về môi trường như gió mạnh, sự có mặt của nước, động vật, thực vật leo bám và rễ cây phá hoại.

Quy định kỹ thuật thông thường của thép, bê tông và nhôm dùng cho các trạm biến áp thứ cấp nhỏ gọn

Đối với một môi trường tiêu chuẩn, trạm biến áp thứ cấp thường được chế tạo bằng thép và chuyển sang sử dụng bê tông bất cứ khi nào yêu cầu một giải pháp chắc chắn hơn. Mặc dù bê tông có thể có tính năng tốt hơn so với thép trong điều kiện khí hậu nóng hơn, nhưng có một số khía cạnh cấu trúc nhất định của CSS không thể đúc bằng bê tông như cửa ra vào và cửa thông gió. Trong trường hợp này, thép vẫn sẽ được sử dụng, để lại các liên kết yếu trong thiết kế thường dễ bị tác động bởi tính chất ăn mòn của môi trường cực đoan.

Mặc dù vẫn là lựa chọn chính cho nhiều môi trường phi tiêu chuẩn, độ linh hoạt về nhiệt của bê tông cốt thép rất kém, khiến nó dễ bị nứt ở nhiệt độ cực thấp và tại những vị trí có chu kỳ đóng băng theo mùa.

Một khi bị nứt, bê tông không thể duy trì tính năng tối ưu - nước sẽ ngấm vào tới cốt thép bên trong bê tông và quá trình gỉ sét sẽ bắt đầu, tạo ra sự ăn mòn sâu hơn và các vết nứt lớn hơn. Khi lớp vật liệu bảo vệ bên ngoài bị nước thấm qua, các vết nứt trong bê tông tạo ra đường nước xâm nhập có nguy cơ gây hỏng hóc nghiêm trọng các thiết bị điện nhạy cảm bên trong.

Tủ đóng cắt trung áp và hạ áp không được thiết kế để chịu được tiếp xúc với môi trường bên ngoài, và sự có mặt của nước, độ mặn và nhiệt độ đóng băng ngoài trời sẽ gây ra những hư hỏng không thể khắc phục được. Bê tông cũng cực kỳ nặng và khó vận chuyển đến các địa điểm xa xôi và hiểm trở, làm tăng chi phí vận chuyển và lắp đặt.

Một vật liệu thay thế phổ biến khác, thường được sử dụng cho những môi trường cực đoan nhất là nhôm, mặc dù vật liệu này có thể tốt hơn bê tông và thép về độ bền lâu trong môi trường cực đoan nhưng nhôm thường có chi phí quá cao đối với nhiều ngân sách đặc tính kỹ thuật.

Thép không gỉ và nhôm đều dễ bị đọng hơi nước hơn, khiến chúng ít thích hợp hơn với các môi trường ấm áp hoặc các vị trí trên hoặc gần nước.

Tiến hóa theo hướng polyester cốt thủy tinh để chế tạo CSS

Polyester cốt thủy tinh (GRP) là vật liệu chế tạo CSS duy nhất trên thị trường được thiết kế đặc biệt để chịu được môi trường khắc nghiệt. Thường được sử dụng để chế tạo cánh tuabin gió, tàu thuyền, trụ cáp và thậm chí cả đồ nội thất sân vườn, vật liệu nhẹ, chắn chắn này vượt trội hơn thép, bê tông và nhôm trong điều kiện nhiệt độ cực đoan, độ ẩm và độ mặn.

Độ bền của vật liệu polyester này được tăng cường bằng cách bổ sung thêm cốt sợi thủy tinh vào nhựa polyester nhiệt rắn theo nhiều hướng khác nhau. Điều này được thực hiện trong các điều kiện được kiểm soát nghiêm ngặt trong nhà máy và tạo ra một vật liệu có độ bền vốn có vô song.

Bền hơn tất cả các loại thép khác, GRP thường nhẹ hơn 75% so với thép và khác với bê tông, GRP là vật liệu kín nước tự nhiên.

Bảo trì tối thiểu sau khi lắp đặt

Đối với người vận hành các nhà máy điện ở những địa điểm xa xôi, việc duy trì bảo trì ở mức tối thiểu sau khi lắp đặt cần được thực sự cân nhắc khi lựa chọn nhà cung cấp trạm biến áp thứ cấp.

Lựa chọn vật liệu và phương pháp xây dựng mang lại mức độ bảo vệ hàng đầu cho các thành phần điện quan trọng bên trong, có nghĩa là người vận hành sẽ không cần phải thường xuyên đến địa điểm xa xôi đó để kiểm tra và bảo trì kết cấu.

Các vết nứt và rỉ sét liên quan đến bê tông và thép không mang lại sự yên tâm này nhưng GRP hoàn toàn có thể làm được, chỉ yêu cầu theo dõi và bảo trì ở mức tối thiểu nhờ chất lượng, tính năng chắc chắn và thiết kế dễ uốn, chống ăn mòn.  

NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG: Nhà máy điện Lac des Toules cấp điện cho miền tây Thụy Sĩ

Tiếp xúc với các yếu tố tự nhiên ở mức tối đa, hồ Lac des Toules ở dãy Alps của Thụy Sĩ được công ty điện lực địa phương, Romande Energie, xác định là địa điểm lý tưởng để khai thác năng lượng mặt trời sạch. Nhưng một dự án thành công ở một địa điểm cực đoan như thế này sẽ đòi hỏi thiết bị có thể vận chuyển dễ dàng và một khi đã lắp đặt tại hiện trường sẽ phải chịu được môi trường miền núi cực đoan.

Sau một dự án xây dựng phức tạp kéo dài hai năm, công trình lắp đặt điện mặt trời nổi - một trong những công trình cao nhất trên thế giới - hiện có khả năng phát ra hơn 800.000kWh điện mặt trời sạch mỗi năm để cấp điện cho miền Tây Thụy Sĩ.

Liên kết các tấm pin mặt trời nổi với lưới điện là CSS GRP UniPack-G của ABB thân thiện với môi trường, được thiết kế đặc biệt để có trọng lượng nhẹ nhưng đủ chắc chắn để chịu được các điều kiện khắc nghiệt của vùng dãy núi Alps.  

UniPack-G (Ảnh st)

Nhiệt độ cực đoan và độ ẩm là tất cả những biến số quan trọng khi quy định kỹ thuật các thiết bị cho dự án này - đặc biệt là khi liên quan đến việc bảo vệ các bộ phận điện nhạy cảm bên trong trạm biến áp.

Bởi vì sử dụng GRP để chế tạo, CSS UniPack-G vượt trội hơn thép và bê tông trong việc bảo vệ các thành phần điện tử quan trọng như tủ đóng cắt trung áp, tủ điện hạ áp, máy biến áp và các thiết bị bảo vệ.

Cung cấp khả năng cách nhiệt vượt trội và thiết kế chống gỉ giúp chống chịu môi trường khắc nghiệt nhất, kết cấu GRP bền lâu hơn tới 20% so với các vật liệu thay thế và cung cấp mức độ an toàn hồ quang cao nhất trên thị trường.

Lý tưởng để đáp ứng các yêu cầu vận chuyển và lắp đặt ở các địa điểm phức tạp, GRP nhẹ hơn bốn lần so với bê tông có kích thước tương đương, khiến nó phù hợp cho vận chuyển bằng xe tải, cần cẩu và thậm chí bằng thuyền, cùng với việc lắp đặt trên các móng nổi.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “PEI”, số tháng 11/2021