Thu gọn tối đa các đường dây trên không: Tích hợp các công nghệ CICA & EGLA

26/09/2024 10:33 Số lượt xem: 392

---

Xu hướng và yêu cầu rõ ràng hiện nay là đáp ứng nhu cầu điện cao hơn trong các hành lang hạn chế và sử dụng các hành lang hẹp hơn. Trong khi trước đây chức năng và tính năng chi phối việc lập kế hoạch và thiết kế thì giờ đây tính thẩm mỹ, tác động môi trường và việc sử dụng đất đã trở thành các động lực chính cho nhiều dự án đường dây trên không. Thực vậy, các đường dây truyền tải nhỏ gọn tiếp tục có tầm quan trọng lớn hơn so với các thiết kế truyền thống và đối với một số công ty điện lực, nó đã trở thành chuẩn mực cho tất cả các hệ thống mới, đặc biệt là ở các khu vực đô thị.

Bài viết này đề xuất việc tích hợp hai công nghệ - xà ngang cách điện bằng composite (CICA) và thiết bị chống sét đường dây có khe hở bên ngoài (EGLA) – nhằm đạt cơ hội cao nhất trong việc thu gọn các đường dây trên không. 

Hình 1: Đường dây truyền tải nhỏ gọn ở thành phố San Jose, Costa Rica (Ảnh st)

Mặc dù người ta ngày càng chú ý đến các đường dây nhỏ gọn những năm gần đây nhưng khái niệm này đã tồn tại từ rất lâu. Ví dụ, từ cuối thế kỷ 19 tại thành phố New York (Mỹ), các đường dây điện thoại lắp đặt trên các cột gỗ có tới 25 xà ngang và 500 vật cách điện đứng trên cùng một cấu trúc duy nhất. Trong lĩnh vực truyền tải điện áp cao, việc triển khai các thiết kế đường dây nhỏ gọn ban đầu nhằm giải quyết các hạn chế về hành lang tuyến ở các khu vực tắc nghẽn. Từ những năm 1960, người ta thường sử dụng các sứ đứng đường dây và các vật cách điện hình chữ V nằm ngang trong những nỗ lực này (xem Hình 2). Không giống như các vật cách điện treo được đỡ bởi các xà đavit, việc bố trí các vật cách điện đứng kiểm soát vị trí dây dẫn và cho phép giảm khoảng cách pha-đất và pha-pha. Do đó, các hành lang tuyến yêu cầu sẽ hẹp hơn với các cấu trúc thanh mảnh hơn và ít phản cảm hơn.

Hình 2: Các đường dây trên không nhỏ gọn thế hệ đầu (Ảnh st)

Sự ra đời của các vật cách điện composite đã đánh dấu một trong những cột mốc quan trọng nhất trong lĩnh vực thiết kế đường dây trên không và chúng đã trở thành sự lựa chọn cho các ứng dụng đường dây nhỏ gọn do có biên dạng trực quan nhỏ hơn cũng như độ bền và tính linh hoạt cao như các xà ngang cách điện. Với sự tiến bộ và trưởng thành của công nghệ này, giờ đây người ta có thể thiết kế và chế tạo các cấu hình khác nhau của các xà ngang cách điện bằng composite có độ bền cao cho hầu hết mọi tải trọng đường dây và đến điện áp hệ thống cao nhất. CICA đóng vai trò quan trọng trong việc hiện thực hóa các dự án đường dây nhỏ gọn và cung cấp cho các kỹ sư nhiều cơ hội để tạo ra các thiết kế đầu cột nhỏ gọn và nhẹ hơn nhằm giải quyết những thách thức ngày nay.

Hình 3: Giải pháp xà ngang cách điện composite áp dụng trong thiết kế đường dây truyền tải mới ở Bỉ (Ảnh st)

Việc lắp đặt các thiết bị chống sét có khe hở bên ngoài (EGLA) thường do các cân nhắc về độ tin cậy và nhằm nỗ lực cải thiện tính năng chống sét. Cùng với xu hướng sử dụng các CICA nhiều hơn, việc áp dụng các EGLA trên đường dây truyền tải đang dần trở thành xu hướng chủ đạo trong các lưới điện hiện đại. Nếu được thiết kế hợp lý, việc áp dụng các EGLA cùng với các CICA cho phép thiết kế đường dây tối ưu hóa thực sự bằng cách giảm đáng kể các khe hở yêu cầu và khoảng cách hồ quang của các vật cách điện.

Các giải pháp vật cách điện giúp thu gọn đường dây

Việc thu gọn đường dây bao gồm quá trình thu hẹp khoảng cách giữa các pha và cấu trúc đỡ cũng như giữa các pha với nhau. Công nghệ thu gọn đường dây hiện đại nhất hiện nay phụ thuộc vào việc cố định sự chuyển động của dây dẫn pha, loại bỏ các xà ngang bằng thép/gỗ không cách điện và loại bỏ không gian yêu cầu của các chuỗi cách điện treo thông thường.

Hình 4: Trụ giằng ở Costa Rica. Trụ giằng xoay gần Auckland, New Zealand (Ảnh st)

Các giải pháp cách điện đương thời giúp thu gọn đường dây bao gồm trụ đường dây, trụ giằng (BLP), trụ giằng xoay hoặc chữ V nằm ngang và CICA. Sự khác biệt cơ bản giữa các tùy chọn này là độ bền cơ học. Các vật cách điện trụ đường dây có thể chịu tải uốn cong và thường áp dụng lên đến 138kV với các dây dẫn một pha và các khoảng cột ngắn. Các trụ giằng, thường sử dụng đến 230kV, có khả năng chịu tải theo chiều dọc cao hơn nhưng có cùng khả năng chịu tải theo chiều ngang và chiều dọc trục hạn chế như các trụ đường dây.

Các trụ đường dây giằng xoay có kết nối bản lề so với kết nối đế cố định của vật cách điện trụ với cấu trúc đỡ. Điều này cho phép cụm lắp ráp xoay và đỡ các tải trọng dọc trục chênh lệch cao hơn. Các trụ đường dây giằng xoay (có thể quay) đã áp dụng lên đến 345/400kV nhưng cần yêu cầu phân tích và thiết kế cẩn thận liên quan đến độ ổn định gió. Các cân nhắc về độ ổn định của các trụ giằng xoay đặt ra các hạn chế về chiều dài khoảng cột và yêu cầu các giá đỡ hạn chế thường xuyên dọc theo đường dây để ổn định các đoạn có các đế bản lề.

Cuối cùng, các xà ngang cách điện hầu hết có thiết kế theo yêu cầu. CICA là một giải pháp độ bền cao có thể thay thế tương tự cho các xà ngang bằng thép thông thường và cho phép thu gọn đường dây ngay cả ở các mức điện áp hệ thống cao nhất (ví dụ như 1.000kV AC và ±1.100kV DC) bằng các bó dây dẫn nặng nhất và không cần hạn chế về khoảng cột cho phép hoặc độ an toàn của tải trọng cơ học.

Một số người có thể lập luận rằng các chuỗi chữ V thông thường cũng là một dạng sắp xếp các vật cách điện đường dây nhỏ gọn. Tuy nhiên, cấu hình này chỉ có thể coi là một giải pháp bán nhỏ gọn vì mặc dù nó hạn chế sự chuyển động của dây dẫn nhưng chuỗi chữ V vẫn yêu cầu một xà ngang dài để mắc và chiếm một không gian lớn ở đầu cấu trúc.

Cần lưu ý rằng định nghĩa hoặc phân loại các xà ngang cách điện và thuật ngữ CICA khác nhau ở các khu vực khác nhau trên địa cầu. Ví dụ như ở Bắc Mỹ và Mỹ, các trụ đường dây và các trụ đường dây giằng khác với các xà ngang cách điện có định nghĩa như các bố trí có vật cách điện theo cấu hình tam giác. Ở Châu Âu, các trụ đường dây giằng (cả loại cứng và loại xoay) cũng có phân loại là các xà ngang cách điện. Ngược lại, ở Trung Quốc, có lẽ là nơi có định nghĩa thuần túy nhất, tất cả các loại trụ đường dây, dây giằng và các cách bố trí kết hợp ba chiều của các vật cách điện trụ và giằng chịu sự kết hợp của tải trọng kéo, uốn hoặc nén đều có thể định nghĩa và nhận dạng là các xà ngang cách điện (hoặc các CICA). Định nghĩa sau này được áp dụng trong cuộc thảo luận dưới đây.

Hình 5: Menu các tùy chọn vật cách điện dùng cho các đường dây truyền tải nhỏ gọn (Ảnh st)

Ngày nay, việc phát triển, ứng dụng và chấp nhận mức cao của các CICA trên các đường dây truyền tải EHV và điện áp lớn hơn (≥345kV) diễn ra chủ yếu do:

• Nhu cầu thu gọn, trang bị thêm và nâng cấp đường dây cho các điện áp ngày càng cao hơn và các ứng dụng quan trọng ngày càng tăng;

• Các công cụ phân tích phần tử hữu hạn (FEA) có bán trên thị trường cho phép thiết kế điện và cơ tùy chỉnh cũng như tạo nguyên mẫu nhanh;

• Các tiêu chuẩn có sẵn, chẳng hạn như P2833 sắp xuất bản, Hướng dẫn của IEEE về Các đường dây Truyền tải Trên không có Cột đỡ Xà ngang Cách điện Composite;

• Sự trưởng thành và độ tin cậy của các vật cách điện composite, những tiến bộ trong khoa học vật liệu và, quan trọng nhất, là khả năng chế tạo các lõi rắn và lõi rỗng FRP (nhựa cốt sợi thủy tinh) có độ bền cao, đường kính và kích thước tương đối lớn cho các vật cách điện trụ.

Khi chiều dài phân đoạn các vật cách điện trụ tăng lên do yêu cầu về điện, yêu cầu đường kính lõi FRP lớn hơn để duy trì tải trọng uốn và cong vênh có thể áp dụng. Một ví dụ cực đoan có thể thấy trên Hình 6 cho thấy CICA chữ V kép 1.000kV. Do yêu cầu về tải trọng cong vênh cao và chiều dài phân đoạn trên 11m, các vật cách điện trụ sử dụng ống FRP lõi rỗng φ470 x 17mm chế tạo bằng dây tơ filamăng và tối ưu hóa để có độ bền uốn cao.

Hình 6: CICA 1000kV với độ bền giằng 2×840kN và các vật cách điện trụ lõi rỗng φ470×17mm có chiều dài đoạn 11m chế tạo bằng cao su silicon vinyl truyền nhiệt (HTV) bơm đúc (Ảnh st)

Trong quá trình thiết kế một CICA, mục đích cơ bản là thiết lập khoảng cách tối thiểu có thể để giảm chiều dài xà ngang và tối đa hóa độ nhỏ gọn. Việc kiểm soát mức độ nhỏ gọn dựa vào các yêu cầu phối hợp cách điện. Những điều này bao gồm việc lựa chọn khe hở không khí ngắn nhất và chiều dài vật cách điện phù hợp với độ tin cậy chỉ định khi vận hành đường dây trong điều kiện tần số nguồn điện, sét và quá điện áp đóng cắt dự kiến. Ngay cả với cùng khoảng cách giữa pha-đất, việc sử dụng các CICA có thể mang lại sự nhỏ gọn đáng kể cho các kết cấu truyền tải. Ví dụ, Hình 7 cho thấy hai đường dây truyền tải mạch kép 220kV với thiết kế để có cùng độ tin cậy.

Hình 7: Đường dây nhỏ gọn 220kV mới có CICA bên cạnh đường dây 220kV thông thường. Đường dây nhỏ gọn giúp giảm 15% hành lang tuyến và giảm 18% thép trụ điện (Ảnh st)

Tích hợp EGLA với CICA

EGLA là thiết bị chống sét chuyên dụng cho đường dây truyền tải, lắp đặt song song với cách điện đường dây và bảo vệ đường dây khỏi quá điện áp do sét. Về cơ bản, nó bao gồm một khe hở không khí bên ngoài nối tiếp với một điện trở phi tuyến mắc nối tiếp (SVU). Trong trường hợp sét đánh, khe hở không khí phóng điện (trước cách điện đường dây được bảo vệ), SVU này sẽ cắt xung điện áp và dòng điện theo sau sẽ bị dập tắt mà không cần bất kỳ thao tác mở máy cắt nào. Trong quá trình lắp cụm EGLA, việc duy trì khoảng cách khe hở không khí không đổi là rất quan trọng để vận hành phóng điện mồi cháy đáng tin cậy. Việc tích hợp EGLA với CICA cung cấp một khe hở không khí tĩnh và cực kỳ ổn định, không thay đổi theo chuyển động do gió gây ra ảnh hưởng đến các dây dẫn (xem Hình 8).

Hình 8: EGLA với các trụ đường dây giằng (Ảnh st)

Việc tích hợp EGLA có thể mang lại cơ hội thu nhỏ gọn CICA lên tầm cao tiếp theo. Với việc áp dụng EGLA, phương pháp phối hợp cách điện đường dây truyền thống không còn phù hợp nữa. Khi sét đánh, hiện tượng phóng điện bề mặt chỉ có thể xảy ra qua khe hở không khí của EGLA. Khi cân nhắc nguyên tắc hoạt động của EGLA, khoảng cách phóng điện hồ quang yêu cầu của các CICA có thể giảm xuống. Mức chịu sét của CICA phối hợp với mức bảo vệ của EGLA, xác định bởi điện áp phóng điện bề mặt của khe hở nối tiếp của nó. Điện áp phóng điện bề mặt xung sét của EGLA trở thành yếu tố quyết định tới khoảng cách phóng điện hồ quang của CICA. Điều này giả định rằng quá điện áp đóng cắt có thể ngăn chặn một cách hiệu quả thông qua các phương tiện khác như các điện trở trước khi cắm của máy cắt, chuyển mạch có điều khiển và các thiết bị chống sét đường dây không có khe hở.

Hình 8 mô tả hiệu ứng “nhỏ giọt” của ứng dụng EGLA. Chiều dài phân đoạn của CICA cũng như đường kính lõi yêu cầu của các vật cách điện trụ đều giảm xuống, nghĩa là hành lang tuyến trở nên nhỏ gọn hơn nữa. Có thể bỏ qua các dây chống sét trên không và các tải trọng dây cũng như các mômen lật của bệ giảm xuống - tất cả đạt đến đỉnh cao trong một cấu trúc siêu nhỏ gọn, nhẹ hơn, hữu hạn và tiết kiệm hơn. Ngoài các lợi ích nhỏ gọn về mặt vật lý và với các EGLA bảo vệ từng pha, đường dây truyền tải cũng trở nên gần như không chịu ảnh hưởng của sét, do đó giảm chi phí bảo trì.

Trong các tình huống khi mà việc sử dụng các EGLA chủ yếu nhằm để thu gọn đường dây, mục đích là giảm thiểu (càng nhiều càng tốt về mặt kỹ thuật) khe hở không khí và mức độ bảo vệ của chúng vì điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khoảng cách phóng điện hồ quang yêu cầu của vật cách điện CICA. Cần lưu ý rằng điện áp phóng điện mồi cháy của cụm lắp ráp EGLA sẽ lớn hơn điện áp của riêng khe hở nối tiếp. Khe hở không khí tối thiểu EGLA (D) xác định bởi quá điện áp đóng cắt tối đa của hệ thống mà hệ thống phải chịu được với một SVU bị ngắn mạch trong các điều kiện ẩm ướt. Chiều dài đoạn của SVU (S) xác định bởi điện áp danh định yêu cầu, các cân nhắc về ô nhiễm và nhu cầu chịu được 1,4 lần điện áp dư của thiết bị chống sét ở dòng điện phóng điện danh nghĩa.

Hình 9: Cấu trúc siêu nhỏ gọn với CICA và EGLA (Ảnh st)

Bất kỳ phóng điện bề mặt của tia sét nào cũng cần xảy ra trong khe hở không khí của EGLA chứ không phải trên các vật cách điện cần bảo vệ. Dựa trên khe hở không khí EGLA đã chọn, khoảng cách phóng điện hồ quang CICA tối thiểu, hay thích hợp hơn là khoảng cách sét đánh của cụm lắp ráp (L), xác định thông qua sự phối hợp giữa phóng điện bề mặt của EGLA và các đặc tính chịu điện áp của vật cách điện, bao gồm một lề bảo vệ cụ thể là X = 2,5, theo khuyến cáo của IEC 60099-8.

Để phân tích sâu hơn về sự tích hợp của CICA và EGLA, cần đặt trọng tâm đặc biệt vào trường hợp 500kV. Nếu SVU của EGLA và khe hở không khí đặt trong cùng một mặt phẳng với các vật cách điện trụ CICA, thì tổng chiều dài nối tiếp của cụm lắp ráp EGLA khi đó sẽ lớn hơn chiều dài đoạn vật cách điện trụ CICA tối ưu hóa (như có thể thấy trong Hình 9). Nếu sử dụng sơ đồ lắp đặt như trên Hình 10, thì không thể đạt lợi ích của việc giảm khoảng cách phóng điện hồ quang CICA vì chiều ngang của CICA sẽ cần phải tăng lên để phù hợp với chiều dài cụm lắp ráp của EGLA lớn hơn. Do đó, cần nghiên cứu cách bố trí vật lý tổ hợp CICA+EGLA tối ưu để đạt mục tiêu nhỏ gọn tối đa.

Hình 10: Bố trí kích thước hình học của CICA và EGLA (tất cả các kích thước đều tính bằng mm) (Ảnh st)

Hình 11 cho thấy khả năng tích hợp vật lý một EGLA trên một cấu trúc chữ V kép CICA 500kV. Cách bố trí lắp đề xuất này đáp ứng các yếu tố quan trọng sau để đảm bảo độ nhỏ gọn tối đa và hoạt động đáng tin cậy:

• Thiết kế đơn giản, không phức tạp;

• Dễ thanh tra và bảo trì;

• Chiều dài khe hở không khí EGLA tĩnh và có thể điều chỉnh;

• Không nhạy cảm với các thay đổi chiều dài SVU;

• Không xảy ra nhiễu với bó pha trên;

• Đủ khoảng hở xung quanh đầu nối HV của SVU với phần cứng nối đất;

• Có thể thực hiện các CICA nhỏ gọn nhất có thể.

Hình 11: Tích hợp vật lý của EGLA với CICA 500kV (Ảnh st)

Các thanh cách dây pha cách điện giữa các pha trong khoảng cột có thể tạo thành một phần của kết cấu đường dây trên không nhỏ gọn, đặc biệt là ở những khu vực của dây dẫn dễ bị đóng băng. Đường dây siêu nhỏ gọn sẽ dẫn đến những ứng suất trường điện cần khuếch đại nhiều hơn, điều này đòi hỏi phải phân tích cẩn thận bằng các công cụ FEA và thiết kế phù hợp các cơ cấu phân áp. Việc sử dụng các vật cách điện composite nghiêng hoặc nằm ngang trong các cụm CICA giúp cải thiện tính năng đóng băng của đường dây và việc lựa chọn các vật cách điện có đặc tính bề mặt kỵ nước giúp giảm nguy cơ phóng điện bề mặt do ô nhiễm.

Tuy nhiên, việc giảm chiều dài đoạn vật cách điện đòi hỏi phải tăng hệ số rão (CF) của các vật cách điện. 

Cần lưu ý rằng trong các ứng dụng CICA trong đó các vật cách điện chịu tải trọng cơ trong công xôn, việc giảm khoảng cách phóng điện hồ quang yêu cầu đối với các EGLA không chỉ làm giảm chiều dài phân đoạn mà còn làm giảm kích thước lõi FRP của các vật cách điện trụ. Đó là do các vật cách điện trụ ngắn hơn có khả năng chịu tải trọng uốn và nén cong vênh cao hơn.

Hình 12 cho thấy hình dạng kích thước và các tải trọng phản ứng gần đúng của vật cách điện thành phần đối với đường dây 500kV bó bốn trong điều kiện dây bị đứt (Dọc = 47kN, Ngang = 8kN và Dọc trục = 95kN). Điều kiện này được xác định là trường hợp tải trọng kiểm soát đối với kích thước cơ học của cụm lắp ráp CICA. Việc suy ra các chiều dài phân đoạn vật cách điện đánh dấu dựa trên sự có mặt của các vòng phân áp thích hợp.

Hình 12: Hình dạng kích thước xà ngang và tải trọng cơ học thành phần trong điều kiện dây bị đứt (kích thước tính bằng milimét và phản lực tính bằng kN) (Ảnh st)

Đối với mức danh định tải trọng nén quy định (SCoL), bao gồm một hệ số an toàn dự phòng là 1,5 trên các tải trọng nén thực tế khi vận hành và các chiều dài mất ổn định lần lượt là 5,4m và 4,2m, đường kính tiết diện ngang của các vật cách điện trụ CICA được xác định là: Lõi rỗng φ200×10mm cho cụm CICA nhỏ gọn; và lõi rỗng φ160×10mm hoặc lõi rắn φ130mm cho cụm tích hợp CICA + EGLA siêu nhỏ gọn.

Việc áp dụng các EGLA và các CICA rõ ràng đòi hỏi phải tính thêm một thành phần mới là chi phí. Nhưng điều này sẽ được bù đắp bằng việc giảm kích thước vật cách điện, kết cấu/bệ đỡ và yêu cầu về đất hành lang tuyến cũng như tiết kiệm được từ việc loại bỏ (các) dây chống sét trên cao.

Tóm tắt

Có thể khai thác tiềm năng thực sự của các công nghệ đổi mới như CICA và EGLA bằng cách tối ưu hóa các cấu trúc truyền tải và cải thiện độ tin cậy cung cấp điện. Khi trọng tâm toàn cầu chuyển sang hướng phát triển bền vững hơn, hiện nay người ta ngày càng chú trọng đến việc giảm tác động môi trường của các dự án truyền tải mới. Sự chấp nhận rộng rãi hơn của người dân đối với các thiết kế thẩm mỹ cũng đã trở thành một yếu tố quan trọng cần cân nhắc.

Sự kết hợp các CICA và EGLA có thể mang lại khả năng thu gọn tối đa các đường dây trên không bằng cách giảm không gian và khoảng hở yêu cầu. Các đường dây có độ nhỏ gọn cao như vậy sẽ đáp ứng tốt hơn những thách thức đa dạng ngày nay mà các công ty điện lực và các nhà phát triển dự án phải đối mặt.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “inmr", tháng 5/2024