Đăng ký thành viên

Thiết kế đường dây truyền tải mới

Bất cứ khi nào các công ty cấp điện lên kế hoạch xây dựng một đường dây trên không mới, họ thường bắt đầu với các “điều phải chấp nhận”. Cụ thể như các kiểu trụ điện và các cấu hình dây dẫn thường được sử dụng cho cấp điện áp đó, cách điện thường được áp dụng cho môi trường dịch vụ của đường dây, các yêu cầu bình thường về hành lang, v.v. Tuy nhiên mười năm trước đây, khi phát triển Wintrack, một thiết kế đường dây truyền tải của mình trong tương lai, nhà điều hành lưới điện Hà Lan này đã phá vỡ mô hình này.  Các kỹ sư không bắt đầu với bất kỳ “quy định phải chấp nhận” nào mà thay vào đó, chỉ là một tập hợp các mục tiêu phải hoàn thành. Cách tiếp cận này cho phép họ có nhiều phương án lựa chọn thiết kế có thể.

Là quốc gia có mật độ dân số cao nhất châu Âu, Hà Lan là nơi hiếm có những vùng đất lớn chưa được sử dụng. Trong một môi trường như vậy, các đường dây truyền tải trên không không những không được chào đón từ góc độ thị giác mà còn phải được theo dõi chặt chẽ về cách chúng có thể ảnh hưởng đến sức khỏe của những người sinh sống gần đó. Thật vậy, dựa trên các nghiên cứu dịch tễ học về người dân sống gần đường dây điện ở Thụy Điển và Mỹ, các nhà chức trách Hà Lan khuyến cáo nên tránh không để trẻ em phơi nhiễm lâu dài từ trường cao hơn 0,4 microtesla.

Ví dụ về các đường dây truyền tải thông thường ở Hà Lan sử dụng trụ giàn thép (Ảnh st)

Để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt như vậy, hành lang đường dây điện dùng cho các dự án truyền tải điện áp cao truyền thống thường phải rộng khoảng 300m, có nghĩa là những trở ngại lớn do cơ sở hạ tầng dày đặc và nhận thức của người dân về đường dây trên không.

Hàng chồng các tài liệu kỹ thuật và mô hình kiến ​​trúc là bằng chứng cho thấy Wintrack khác biệt như thế nào so với các dự án truyền tải của TenneT trước đây (Ảnh st)

Chính vì những ràng buộc này mà các kỹ sư tại Nhà điều hành lưới điện TenneT (Hà Lan) đã bắt tay vào một dự án đầy tham vọng vào năm 2007 để áp dụng một khái niệm cho các đường dây 380kV mới dựa trên các trụ thép và các vật cách điện đỡ đường dây được gia cố (braced line post insulator) thay cho các thiết kế trụ giàn thép thông thường.

Thiết kế Wintrack lần đầu tiên được áp dụng cho ba trụ kết nối một đường dây trụ giàn thép 380kV truyền thống (Ảnh st)

Lần đầu tiên thực hiện thiết kế Wintrack là vào năm 2009, áp dụng cho ba trụ kết nối một đường dây trụ giàn thép 380kV truyền thống (nhìn xa ở phía sau) với một trạm biến áp hybrid được bố trí lại. Trạm biến áp 380kV Bleiswijk, đã được di chuyển sang bên kia của đường cao tốc vào năm 2009, là loại kết hợp nhằm giảm diện tích đất yêu cầu.

Trạm biến áp 380kV Bleiswijk được di chuyển sang bên kia của đường cao tốc vào năm 2009 (Ảnh st)

Công trình kỹ thuật này đề xuất một thiết kế đột phá – mang tên là Wintrack - đáp ứng tất cả các mục tiêu yêu cầu, sau đó đã được trao hợp đồng thông qua đấu thầu công khai. Đơn vị thắng thầu là Ban Năng lượng & Bền vững của Công ty tư vấn năng lượng Kema Lab (Hà Lan). 

Các đoạn trụ Wintrack cao từ 57 đến 65m sau khi lắp ráp thành hai đoạn (Ảnh st)

Peter Kolmeijer, Giám đốc tài khoản, người phụ trách công việc và sau đó đã tham gia hầu hết mọi khía cạnh phát triển sau đó của Wintrack cho biết: “Tìm kiếm được một trụ thép đáp ứng các cân nhắc về kiến ​​trúc, có tính thẩm mỹ và tối giản, đồng thời không quá tốn kém và có thể mua của các nhà cung cấp địa phương là không đơn giản. Ví dụ, đường kính đáy không thể quá ‘lớn’ trong khi phía trên đỉnh không thể quá nhỏ để nó không giống như chiếc kim.

Gerrit Boudewijn, Quản lý dự án của TenneT, giải thích rằng chi phí kết cấu thép cũng như nền móng đều có xu hướng tăng khi giảm kích thước chân trụ của kết cấu truyền tải. Do đó, mục tiêu là tìm ra sự cân bằng tối ưu nào đó giữa việc giữ cho chân trụ điện càng nhỏ càng tốt để đáp ứng tiêu chí tối giản đồng thời tôn trọng thực tế là chi phí vật liệu và xây dựng sẽ tăng lên. Kolmeijer nói thêm “Chúng tôi phải đảm bảo rằng việc uốn cong khi chịu tải trọng gió, đặc biệt là đối với các cấu trúc góc, phải nằm trong giới hạn chấp nhận được để giữ cho chúng thuận mắt nhất.” Ông lưu ý rằng trong khi các tiêu chuẩn của Hà Lan cho phép độ uốn cong rất lớn, các trụ Wintrack được thiết kế để có chuyển động trên đỉnh tối đa là 5,5%.

Hylco Hoekstra, Kỹ sư Công nghệ tại TenneT nhận xét rằng giới hạn trên tối đa này sẽ đại diện cho một trường hợp cực đoan nhiều khả năng chỉ xảy ra 500 năm một lần và độ uốn tối đa ở đỉnh thực tế có thể chỉ là khoảng 1,5%, gặp phải vài lần mỗi năm. Tuy nhiên, Hoekstra và Kolmeijer lưu ý rằng ngay cả với độ lệch rất nhỏ này, đã có những nhận xét đâu đó từ các cộng đồng địa phương rằng một số trụ điện có vẻ đang nghiêng.

Các cấu trúc góc được phép di chuyển tối đa 5,5% ở trên đỉnh trụ điện để tối đa hóa sự hấp dẫn về mặt thẩm mỹ, nhưng trên thực tế, giới hạn này giống như 1,5% (Ảnh st)

Một vấn đề khác là yêu cầu bảo trì của các cấu trúc, được sơn màu trắng giấy cói và được trang bị cửa tiếp cận để cố định các bu lông bên trong vào móng bê tông trong quá trình lắp dựng.  Theo Kolmeijer, các cánh cửa này là một ví dụ hay về tầm ảnh hưởng quan trọng của các kiến ​​trúc sư. Chúng được thiết kế đặc biệt để bằng mặt với các vách của cấu trúc để chỉ hiển thị một bề mặt nhẵn đi lên trên và tạo ra tác động trực quan bổ sung tối thiểu.

Cấu trúc, được sơn màu trắng giấy cói và được trang bị cửa tiếp cận để cố định các bu lông bên trong (Ảnh st)

Theo một thỏa hiệp với các kiến ​​trúc sư, những người không thích để móng bị lộ ra, đáy của các trụ được cố định vào bê tông cốt thép nhô lên để đảm bảo các bu lông và kết cấu không tiếp xúc liên tục với các vũng nước sau mưa. Một vòng bảo vệ bằng bê tông bao quanh móng chính để đảm bảo không bị hư hại do vô tình tiếp xúc với thiết bị nông nghiệp.

Kolmeijer giải thích rằng một số lựa chọn thay thế cho trụ thép cán đã được xem xét ngay từ đầu, từ epoxy đến bê tông. Tuy nhiên, ông nói rằng sử dụng epoxy, chi phí sẽ quá cao và cũng sẽ có thêm rủi ro trong các sự kiện quá áp về đường dẫn dòng điện xuống đất. Mặc dù có đủ độ bền cơ, phương án sử dụng bê tông cũng bị loại do hiện tượng màn chắn và nhiều vấn đề khác. 

Tuy nhiên, một yếu tố khác có lợi cho thép thay vì bê tông là việc chôn trong bê tông các kẹp thép đen sử dụng để bắt các vật cách điện kép và cách điện trụ đường dây lên trụ điện.

Trụ thép được coi là thích hợp hơn bê tông vì các cơ cấu kẹp có thể được hàn vào bất cứ nơi nào yêu cầu (Ảnh st)

Cuối cùng, các trụ điện Wintrack 380kV điển hình cao 54m và bao gồm hai đoạn được bắt cố định bằng bu lông dự ứng lực. Các cấu trúc trên cao đặc biệt dùng cho các ứng dụng như giao cắt kênh cao 64m và được chế tạo gồm ba đoạn. Cách bố trí này tỏ ra thuận tiện vì, với trọng lượng dưới 28 tấn mỗi đoạn và chỉ dài tối đa 28m, chúng có thể được vận chuyển đến công trường bằng các phương tiện vận tải tiêu chuẩn. Khoảng cột điển hình đối với các trụ tiêu chuẩn là 350m và 400m.

Chiều dài khoảng cột điển hình đối với các trụ điện cao 54m là 350m (Ảnh st)

Trọng tâm của giải pháp được thiết kế là để đảm bảo trường điện từ tổng rất thấp là sự sắp xếp độc đáo của các dây dẫn, mỗi loại AAAC (dây dẫn hoàn toàn bằng hợp kim nhôm) và có tiết diện 620mm. Ý tưởng là mang chúng lại gần nhau nhất có thể, đồng thời tôn trọng khoảng hở tối thiểu, để cho phép các từ trường riêng lẻ của chúng bù trừ lẫn nhau. Thử nghiệm và xác minh tính năng điện áp nhiễu radio (RIV) và corona (phóng điện vầng quang) của cấu hình đề xuất đã được tiến hành trên một đường dây mô phỏng được thiết lập tại KEMA vào năm 2009.

Mô phỏng trụ điện và bố trí dây dẫn  đề xuất để thực hiện thử nghiệm (Ảnh st)

Một yếu tố quan trọng khác của thiết kế Wintrack xoay quanh việc lựa chọn vật cách điện, tất cả đều là loại composite cao su silicone. 

Các trụ treo dọc theo các đoạn thẳng của đường dây sử dụng thiết kế đỡ đường dây được gia cố (braced line post design) với các vật cách điện có đường kính lõi là 100mm trong khi các cách điện kéo có kích thước nhỏ hơn một chút.

Cấu hình đỡ đường dây được gia cố được sử dụng trên hầu hết các trụ điện. Cụm lắp ráp vòng lèo theo chiều ngang độc đáo và cách điện đỡ dùng cho các trụ điện néo và trụ điện góc (Ảnh st)

Hoekstra cho biết: “Một cân nhắc quan trọng khi đề cập đến tất cả các cấu hình này là phân áp hiệu quả cao để đảm bảo ứng suất trường tối đa dọc theo vật cách điện luôn nhỏ hơn 2,5kV/cm, con số này thậm chí còn thấp hơn 4,1mm/kV được EPRI khuyến cáo ở Mỹ. Điều này có nghĩa là phải che chắn điện rất nhiều và do đó yêu cầu một vòng phân áp kép được thiết kế bởi nhà cung cấp vật cách điện." Hoekstra giải thích rằng tiêu chí thiết kế này nhằm đảm bảo tuổi thọ sử dụng lâu nhất có thể với nguy cơ xói mòn thấp nhất đối với vỏ do vầng quang.

Kolmeijer cũng chỉ ra rằng thiết kế Wintrack, mặc dù khá mới nhưng vẫn đang tiến hóa đối với các thành phần cấu trúc khác nhau của nó. Ví dụ, ba trụ đầu tiên  được đưa vào vận hành từ năm 2009 có các vật cách điện chịu lực căng và võng được kết nối trực tiếp với các vòng bên trong trụ điện. Các vòng này giúp trụ điện chịu được lực kéo vật cách điện khoảng 70kN. Mặc dù giải pháp như vậy tác động thị giác gia tăng tối thiểu, nhưng nó gây khó khăn cho nhà thầu trụ điện do phải khó khăn hơn khi xử lý bề mặt kẽm của vòng đệm do không gian bên trong kết cấu chật hẹp.

Vòng đỡ kết cấu khỏi lực kéo của các vật cách điện ẩn bên trong trụ điện trên đường dây ban đầu (bên trái) được đưa ra bên ngoài trên đường dây mới (Ảnh st)

Một yêu cầu quan trọng khác của dự án đường dây mới này là khả năng sử dụng hỗn hợp của mỗi trụ điện, một yêu cầu ngày càng tăng của các cấu trúc truyền tải trên toàn thế giới. Kolmeijier cho biết, “cuộc đấu thầu ban đầu của TenneT đã tuyên bố cụ thể rằng bất kỳ khái niệm đường dây nào được đề xuất sẽ phải đỡ không chỉ hai mạch 380kV với dòng điện dưới 1000A trên mỗi mạch mà còn có khả năng mang hai mạch 150kV với dòng điện hơn 1000A trên mỗi mạch”. Ông tiếp tục giải thích rằng ý tưởng sử dụng một trụ điện đơn để đỡ hai mạch 380kV đã bị bác bỏ ngay từ đầu vì nó sẽ không cho phép khoảng cách làm việc an toàn tối thiểu 5,5 đến 6m nếu việc bảo trì đang được thực hiện trên một mạch. Điều đó có nghĩa là phải ngắt cả hai mạch trong những trường hợp như vậy - một giải pháp không thể chấp nhận được từ quan điểm về tính khả dụng. Vì vậy, sử dụng hỗn hợp một số cấu trúc Wintrack nhất định được thấy tại nhiều đoạn của đường dây mới mang điện áp 380kV ở một bên và 150kV ở phía bên kia

Lắp đặt dây dẫn trên đoạn sử dụng hỗn hợp của đường dây Wintrack (Ảnh st)

Việc lắp đặt dây dẫn trên các cấu trúc sử dụng hỗn hợp này là một ví dụ khác về cái mà Kolmeijer gọi là học bắt kịp với sự phát triển. Ông giải thích: “Đã có một số vấn đề trong quá trình căng dây do lực công xôn từ bánh xe quá lớn so với cấu hình cách điện. Vì vậy, giải pháp tạm thời là kết nối chúng với cột liền kề để thêm lực đỡ. Khi ba cột Wintrack đầu tiên được hoàn thành vào năm 2009,” ông nói tiếp, “bất cứ khi nào chúng tôi gặp phải các kỹ thuật mới hoặc các vấn đề mới thuộc loại này, chúng tôi lại mời nhân viên bảo trì của TenneT vào cuộc để họ có thể tham gia đánh giá rủi ro cho việc bảo trì đường dây trong tương lai. Những vấn đề này liên quan đến việc làm thế nào để nối đất tốt nhất hệ thống cũng như cho các quá trình như sửa chữa dây dẫn và dây chống sét, thay các vật cách điện và thanh tra kẹp treo.” Hơn thế nữa, vì trên trụ điện Wintrack không có bất kỳ vị trí nào thuận tiện để công nhân bảo trì có thể tựa vào trong quá trình làm những việc như vậy, một hệ thống tiếp cận tay vịn mới đã được lắp đặt trên mỗi cột.

Hệ thống leo cột đặc biệt cho phép nhân viên bảo trì nhanh chóng tiếp cận địa điểm làm việc trên bất kỳ cấu trúc nào. Chiều dày tối đa của vách ở chân mỗi trụ thép được quy định là 26mm (Ảnh st)

Một khía cạnh độc đáo khác của đường dây Wintrack mới từ trạm biến áp Bleiswijk là vì lý do môi trường, nó được thiết kế bao gồm một đoạn cáp dài 10km. Theo Kolmeijer, sự kết hợp giữa đường dây trên không và cáp này sẽ là sự kết hợp đầu tiên cho TenneT ở 380kV và, với độ dài liên quan, được dùng như một trường hợp thử nghiệm cho các công trình lắp đặt tương tự trong tương lai.

Một trong hai trạm chuyển tiếp cáp 380kV đang chờ đấu nối cuối cùng trước khi đóng điện đường dây. Tất cả các đầu nối cáp và bộ chống sét đều được bọc bằng silicon (Ảnh st)

Các dây lèo chưa cố định được đỡ bởi đầu vật cách điện căng không lý tưởng vì lắc lư khi gió lớn có thể có nguy cơ làm hỏng vỏ bọc (Ảnh st)

Thiết kế Wintrack mới hiện tạo cơ sở cho các dự án đường dây trên không trong tương lai ở Hà Lan. Ví dụ, Hoekstra báo cáo rằng một đường dây truyền tải khác có cùng khái niệm này sẽ đi lên ở miền Bắc đất nước trong khi hai đường dây 380 kV khác cũng đang được xem xét. Hoekstra cho biết, "đối với những đường dây mới hơn này, hai mạch sẽ là không đủ nên chúng tôi đang trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật chi tiết cho bốn mạch." Hoekstra cũng lưu ý rằng tải trọng băng và tuyết ở miền Bắc Hà Lan có thể có nghĩa là các vật cách điện trên các đường dây đó sẽ yêu cầu độ bền cơ học cao hơn và có đường kính thanh lõi khoảng 120mm so với 100mm đối với các trụ điện đường dây được sử dụng trong dự án Trạm biến áp Bleiswijk.

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “Inmr.com”, tháng 4/2022