Đăng ký thành viên

Tối ưu hóa thiết kế cấu trúc bằng cách sử dụng thiết bị chống sét đường dây truyền tải

Hình dạng và kích thước của cột điện truyền tải phải phù hợp với các khoảng hở điện khác nhau trong các điều kiện thời tiết luôn thay đổi, như đã quy định trong các tiêu chuẩn hoặc các quy phạm quốc gia. Về vấn đề này, cần cân nhắc kỹ lưỡng đến khoảng hở xung đóng cắt và khoảng cách tiếp cận tối thiểu, cả hai giá trị này đều phụ thuộc vào mức quá điện áp xung đóng cắt của đường dây. Quá điện áp xung đóng cắt thấp hơn có thể dẫn đến hình dạng kích thước phần đầu cột điện truyền tải nhỏ gọn hơn, điều này có thể cắt giảm tổng chi phí dự án cũng như tác động chung đến môi trường.

Bài viết này giới thiệu một phương pháp mới để tối ưu hóa thiết kế cấu trúc dựa trên việc áp dụng các thiết bị chống sét cho đường dây truyền tải.

Hệ thống điện của Công ty Manitoba Hydro (Canađa) phụ thuộc vào công suất do các nhà máy thủy điện ở phía bắc phát ra, sản lượng của các nhà máy điện này sau đó truyền tải về phía nam, vượt qua hàng mấy trăm kilômet dọc theo ba đường dây HVDC (điện một chiều cao áp). Hệ thống HVDC này truyền tải khoảng 70% tổng nguồn điện của tỉnh Manitoba. Trong trường hợp hạn hán kéo dài hoặc mất điện HVDC, việc cấp điện sẽ bị giới hạn ở việc phát điện kết nối với hệ thống điện xoay chiều (AC) của Manitoba Hydro. Hệ thống này phụ thuộc vào các kết nối AC với Mỹ và các tỉnh lân cận. Nhưng nguồn cung cấp điện hạn chế như vậy sẽ không đủ để đáp ứng nhu cầu điện của tỉnh và có thể cần phải cắt điện luân phiên trong nhiều tháng. Khả năng thiếu hụt điện đã tăng đều đặn trong nhiều năm qua và, do nhu cầu điện ngày càng tăng, yêu cầu phụ tải hệ thống đã tăng lên.

Dự án truyền tải Manitoba-Minnesota (MMTP) là đường dây AC 500kV thứ hai của tỉnh Manitoba kết nối với lưới điện Mỹ. Đường dây truyền tải dài 575km này kết nối Nhà máy điện Dorsey (Canađa) với Nhà máy điện Iron Range (Mỹ). Mục tiêu của dự án này là cung cấp nguồn điện theo hợp đồng cho Mỹ và đồng thời đảm bảo cấp điện đáng tin cậy cho các khách hàng trong tỉnh Manitoba trong trường hợp hạn hán kéo dài hoặc hỏng hóc thiết bị không lường trước được.

Đường dây điện quốc tế 500kV đầu tiên ở tỉnh Manitoba – M602F – đã được thiết kế vào những năm 1970. Dựa trên thiết kế và thông tin về thời tiết tại thời điểm đó, tất cả các vị trí đều sử dụng khoảng cách tiếp cận tối thiểu (MAD) là 3m. Hai sự cố an toàn đã ghi nhận trong quá trình thi công đường dây mang điện trên các cột điện và do đó, hiện nay không được phép bảo trì đường dây đang mang điện tại các vị trí cửa sổ kết cấu dọc theo đường dây này.

MMTP có khả năng bù nối tiếp 60% để duy trì dòng điện một chiều danh định 2.000A và tụ điện nối tiếp 1440MVar này nằm trong số những tụ điện lớn nhất thế giới ở điện áp 500kV. Kích cỡ tụ điện nối tiếp này kết hợp với chiều dài đường dây dài dẫn đến điện áp xung đóng cắt rất cao, ảnh hưởng đến cả thiết kế cột điện và bảo trì đường dây đang mang điện trong tương lai. Để giải quyết vấn đề này, Manitoba Hydro đã tiến hành nghiên cứu xung đóng cắt chi tiết để giúp tối ưu hóa thiết kế các cột điện của đường dây này.

Phân tích quá điện áp đóng cắt

Các nghiên cứu của PSCAD đã xác nhận rằng thông số danh định của tụ điện nối tiếp lớn và chiều dài đường dây sẽ dẫn đến các điện áp xung đóng cắt cao và yêu cầu khoảng cách pha-pha và pha-đất lớn hơn đáng kể cũng như hành lang tuyến rộng hơn. Điều này sẽ khiến việc sử dụng nhiều đoạn hành lang tuyến có sẵn đã nhận dạng cho dự án này trở nên hầu như bất khả thi. Ví dụ như, các kết quả đã cho thấy thiết kế tụ điện nối tiếp điển hình với một máy cắt nối tắt (tức là giải pháp ít tốn kém nhất) sẽ dẫn đến quá điện áp đóng cắt 3,5p.u. Các nghiên cứu mô phỏng cũng cho thấy rằng một thiết kế tụ điện nối tiếp đặc biệt với nối tắt nhanh và một điện trở giảm chấn bên ngoài có thể duy trì quá điện áp đóng cắt dưới 3,0p.u.

Người ta thiết kế các thiết bị chống sét đường dây truyền tải (TLSA) để giới hạn điện áp giữa các dây pha và cấu trúc cột điện và ngăn ngừa phóng điện bề mặt. Ban đầu người ta áp dụng các TLSA ở Bắc Mỹ trong nhiều năm nhằm giảm thiểu tỷ lệ mất điện do sét đánh trên các đường dây truyền tải và đã cho thấy những kết quả tuyệt vời. Gần đây hơn, việc áp dụng các TLSA còn nhằm để hạn chế các quá điện áp đóng cắt cao. Tuy nhiên, không giống như các ứng dụng liên quan đến sét, nơi các thiết bị chống sét thường lắp đặt trên các cấu trúc liên tiếp, các thiết bị chống sét để kiểm soát các xung đóng cắt chỉ cần thiết ở các vị trí cụ thể dọc theo một đường dây và lắp đặt trên tất cả các pha tại các vị trí đó. Hơn nữa, các thiết bị chống sét này thường yêu cầu một cấp năng lượng thấp hơn so với mức cần thiết đối với các thiết bị chống sét lắp đặt ở các đầu đường dây trong các trạm biến áp.

Các mô phỏng thoảng qua đã xác nhận rằng một cột đường dây truyền tải nhỏ gọn đáp ứng các giới hạn hiện nay của phương pháp bảo trì đường dây đang mang điện, cụ thể là điện áp 2,5p.u., có thể xây dựng với giả định là giảm thiểu các xung đóng cắt cao bằng cách sử dụng các TLSA cùng với các cải tiến thiết kế đã nhận dạng cho tụ điện nối tiếp. Do đó, các kỹ sư của Manitoba Hydro đã khuyến cáo việc áp dụng các TLSA trên đường dây 500kV mới nhằm giảm thiểu điện áp xung đóng cắt cao và tạo điều kiện cho công tác bảo trì đường dây đang mang điện trong tương lai.

Bảng 1: Chỉ định các đặc tính điện cho các TLSA

Người ta đã chọn năm vị trí trong tổng số 524 cột điện của đường dây này để lắp đặt thiết bị chống sét và thực hiện rất nhiều mô phỏng PSCAD để xác định các vị trí này (xem Hình 1).

Hình 1: Tuyến đường ưa chọn của MMTP và các vị trí lắp đặt các TLSA

Hình dạng và kích thước đầu cột điện và hành lang tuyến

Hình dạng và kích thước đầu cột điện có thiết kế để đáp ứng tất cả các khoảng hở điện yêu cầu dựa trên các tiêu chuẩn bên trong và bên ngoài và xác định chủ yếu bởi: điện áp tần số điện lưới; quá điện áp đóng cắt; và quá điện áp sét. Như thể hiện trong Hình 2, nếu giới hạn quá điện áp đóng cắt ở khoảng 2,0p.u. đối với điện áp hệ thống 500kV, thì các khoảng hở yêu cầu đối với quá điện áp sét và quá điện áp đóng cắt là gần như nhau. Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống 500kV đều có hệ số xung đóng cắt lớn hơn 2,0p.u. và do đó quá điện áp xung đóng cắt là yếu tố chi phối trong thiết kế hình dạng kích thước của đầu cột điện. Hơn nữa, trong trường hợp của MMTP, khoảng hở dưới điện áp tần số lưới điện đã không còn là yếu tố chi phối do ô nhiễm ở tỉnh Manitoba là nhẹ. Do đó, khoảng hở trên đầu cột điện chủ yếu bị chi phối bởi quá điện áp đóng cắt.

Người ta thường sử dụng các vật cách điện treo tiếp tuyến trên các đường dây truyền tải có thể dao động theo gió. Các khoảng hở đủ ở giữa đầu đang mang điện của chuỗi vật cách điện và bất kỳ thành phần nối đất nào của cấu trúc đỡ đều cần phải bảo trì để đảm bảo vận hành an toàn và đáng tin cậy của đường dây dưới tác động của gió. Dựa trên các nghiên cứu trước đây và rà soát dữ liệu khí tượng lịch sử, người ta đã cân nhắc ba điều kiện gió khi thiết kế hình dạng kích thước đầu cột điện MMTP. Điều kiện đầu tiên là điều kiện gió mạnh, dự kiến ​​chỉ hiếm khi xảy ra khi hệ thống dưới điện áp tần số lưới điện. Điều kiện thứ hai là gió vừa phải, với giả định là trùng với quá điện áp xung đóng cắt. Điều kiện cuối cùng là điều kiện gió danh nghĩa, dự kiến sẽ ​​xảy ra thường xuyên và do đó dự kiến có nhiều khả năng trùng với điều kiện làm việc trên đường dây đang mang điện.

Tất cả các điều kiện gió chỉ áp dụng cho các vật cách điện chuỗi chữ I tại các vị trí xà ngang vì các vật cách điện chuỗi chữ V, bên trong cửa sổ cột điện, đã giả định là có chuyển động hạn chế trong các điều kiện gió này. Tài liệu kỹ thuật CIGRE 348 thảo luận về cách để đảm bảo đủ khoảng hở và ngăn ngừa phóng điện bề mặt giữa các dây dẫn và cấu trúc trong không khí tĩnh cũng như các vị trí dao động. Định nghĩa gió mạnh là điều kiện thiết kế chu kỳ lặp lại 50 năm hiếm khi xảy ra khi hệ thống chỉ ở điện áp tần số lưới điện. Định nghĩa điều kiện gió vừa phải là áp lực gió trong 99% thời gian (CIGRE 1%), tức là chuỗi vật cách điện phơi nhiễm điều kiện gió này đủ thường xuyên để trùng với quá điện áp xung đóng cắt. Định nghĩa điều kiện gió 40km/h là tốc độ gió tối đa mà trong đó nhân viên có trình độ có thể thực hiện các quy trình đường dây điện đang mang điện một cách an toàn.

Khoảng hở xung đóng cắt và MAD đều phụ thuộc vào hệ số xung đóng cắt tối đa của hệ thống. Như đã nêu, đã có ba hệ số xung đóng cắt có thể xảy ra dựa trên các cấu hình hệ thống khác nhau.

Một hệ số xung đóng cắt cao hơn sẽ yêu cầu khoảng hở điện lớn hơn và cột điện rộng hơn, điều này nhiều khả năng sẽ tốn kém hơn. Để xem xét kỹ hơn từng thiết kế, phần mềm chuyên dụng PLS-TOWER đã tạo ra ba thiết kế khác nhau về hình dạng và kích thước đầu cột điện dựa trên các hệ số tăng xung đóng cắt khác nhau. Thiết kế cột điện nhỏ gọn nhất sẽ dựa trên hệ số xung đóng cắt 2,5p.u., là trường hợp cơ sở do có chi phí thấp nhất.

Ngoài chi phí vật liệu cao hơn, một cột điện rộng hơn thường đòi hỏi phải có hành lang tuyến (ROW) rộng hơn. Một số yếu tố ảnh hưởng đến chiều rộng ROW của đường dây truyền tải bao gồm dây dẫn đung đưa ra xa, tiếng ồn có thể nghe được, trường điện từ, v.v. Phân tích chi tiết chỉ ra chiều rộng ROW tối thiểu lần lượt là 80m, 86m và 92m đối với các hệ số xung đóng cắt là 2,5, 3,0 và 3,5p.u. Sẽ cần nhiều đất hơn đáng kể cho các thiết kế cột điện sử dụng hệ số xung đóng cắt cao hơn. Ví dụ như ở tỉnh Manitoba, hệ số xung đóng cắt là 3,0p.u. sẽ yêu cầu thêm 126ha đất trong khi cần có thêm 252ha đất nữa đối với hệ số xung đóng cắt là 3,5p.u.

Gần 50% đường dây MMTP đi qua ROW rộng 80m hiện có của Manitoba Hydro và bất kỳ sự gia tăng nào về yêu cầu đất đai cũng sẽ ảnh hưởng đáng kể đến tổng chi phí của dự án. Hơn nữa, một ROW rộng hơn ít thân thiện với môi trường hơn với khả năng ảnh hưởng đến cơ sở hạ tầng đã xây dựng. Giảm khoảng cột quy định từ 470m xuống còn 420m được coi là một lựa chọn để duy trì ROW rộng 80m hiện có cho các hệ số tăng xung đóng cắt 3,0p.u. và 3,5p.u. Tuy nhiên, việc giảm khoảng cột quy định sẽ có nghĩa là phải bổ sung thêm 38 cột điện vào số 524 cột điện dọc theo MMTP.

Người ta cũng cân nhắc đến sự ô nhiễm của các sào cách điện vì điều này đã nhận dạng là một thách thức đáng kể đối với việc bảo trì đường dây đang mang điện. Thật vậy, hai sự cố đã ghi nhận trong công tác bảo trì đường dây mang điện trên đường dây 500kV hiện có của Manitoba Hydro với hệ số xung đóng cắt 2,5p.u. Do hệ số xung đóng cắt 2,5p.u. đã tỏ ra là thách thức đối với công tác bảo trì đường dây đang mang điện, các yêu cầu khoảng hở lớn hơn và sào cách điện dài hơn là cần thiết đối với các hệ số xung đóng cắt 3,0 và 3,5p.u. Điều này sẽ khiến công tác bảo trì đường dây đang mang điện thậm chí còn khó khăn hơn hoặc gần như không thể thực hiện.

Áp dụng các TLSA để cắt giảm hệ số xung đóng cắt cho phép thiết kế đường dây nhỏ gọn hơn với chi phí vật liệu thấp hơn, thi công dễ dàng hơn và ROW hẹp hơn.

Hình 2: Thiết kế cột điện tiếp tuyến cuối cùng dựa trên hệ số xung đóng cắt 2,5p.u.

Thiết kế thiết bị chống sét đường dây truyền tải

Cấu trúc của thiết bị chống sét rất đơn giản đối với hầu hết các ứng dụng tiêu chuẩn và bao gồm một chồng MOV (điện trở phi tuyến làm bằng vật liệu gốm) hình trụ đặt bên trong vỏ. Các điện trở oxit kim loại hiện đại bao gồm khoảng 90% oxit kẽm, một chất bán dẫn và khoảng 10% chất phụ gia đóng vai trò là các thành phần pha tạp. Kích cỡ hạt của nguyên liệu thô chỉ khoảng 1µm, cần thiết để đạt được độ đồng nhất cao khi trộn ướt các thành phần và quan trọng đối với chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Thành phần quan trọng thứ hai là vỏ thiết bị cung cấp độ bền cơ học và độ bền điện môi, kết nối với hệ thống năng lượng và đất và bảo vệ chống lại các ứng suất môi trường. Trong thập kỷ qua, thiết bị chống sét có vỏ bằng polyme đã trở nên phổ biến hơn do thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ hơn, sản xuất hiệu quả hơn và tính năng tốt hơn.

Thiết kế phù hợp nhất cho ứng dụng chống sét đường dây là thiết kế dạng lồng, trong đó các thanh FRP bao quanh chồng MOV tạo thành lồng ổn định. Trong trường hợp này, bộ phận tác dụng trở thành một phần của hệ thống hỗ trợ cơ học có thể thực hiện nhờ cường độ nén của MOV. Trong quá trình sản xuất, lực kéo tác dụng lên lồng FRP và chồng điện trở phi tuyến kẹp giữa các phụ kiện đầu kim loại. Độ bền cơ học thu được của thiết bị chống sét dựa trên ứng suất trước đặt vào trong quá trình sản xuất. Sau khi chế tạo trước lồng này, người ta đúc trực tiếp cao su silicon HTV lên điện trở phi tuyến, các thanh FRP và các phụ kiện đầu. Các điện trở phi tuyến thiết kế lồng hiện đại đạt được độ bền cơ học cao và có thể sử dụng lên đến 550kV (lớp trạm) và do đó phù hợp với mọi ứng dụng thiết bị chống sét đường dây.

Hình 3: Bố trí lắp đặt TLSA cho MMTP

Kết luận

Có thể giảm hiệu quả quá điện áp xung đóng cắt trên các đường dây truyền tải bằng cách sử dụng các TLSA, đồng thời giúp tối ưu hóa thiết kế cột điện và chiều rộng hành lang tuyến. Trong trường hợp MMTP 500kV, các TLSA cho phép giảm hệ số xung đóng cắt từ 3,5p.u. xuống 2,5p.u. khi kết hợp với các cải tiến thiết kế khác nhận dạng cho tụ điện nối tiếp. Hệ số xung đóng cắt thấp hơn cũng giúp các nhà thiết kế đường dây truyền tải tối ưu hóa thiết kế cột điện để làm cho nó nhỏ gọn hơn và giảm diện tích đất yêu cầu. Giải pháp này tiết kiệm chi phí đáng kể so với các tùy chọn khác.

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “INMR”, số tháng 11/2024