Đăng ký thành viên

Ứng dụng và thiết kế vật cách điện composite dùng cho lưới điện truyền tải

Nhu cầu tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo và chuẩn bị cho nhu cầu điện tăng cao do quá trình điện khí hóa diễn ra trong giao thông vận tải và các lĩnh vực khác đã tạo ra những thách thức cho một lưới điện già cỗi. Một số vấn đề đang được giải quyết với việc đưa vào áp dụng các thiết bị tiên tiến để nâng cấp mạng lưới phân phối.

Lưới điện truyền tải của Mỹ sẽ cần giải quyết vô số thách thức trong vài thập kỷ tới. Đó là một giai đoạn có sự tích hợp các nguồn điện tái tạo quy mô lớn vào lưới điện trong khi các nhà điều hành đang ứng phó với các dự báo phụ tải tăng trưởng hàng năm, sự bùng nổ các trạm sạc xe điện và các xáo trộn môi trường thường xảy ra đe dọa độ tin cậy và độ dẻo dai.

Mỹ và các quốc gia khác đã đẩy nhanh việc lắp đặt các nguồn năng lượng tái tạo mới, mà phần lớn là do mối quan ngại toàn cầu về biến đổi khí hậu. Lưới điện truyền tải đang phải đối mặt với một thách thức lớn khi các nhà sản xuất điện nỗ lực giảm lượng phát thải CO₂ đồng thời đáp ứng nhu cầu kết nối các nguồn điện mới này.

Có rất nhiều rào cản: Các nhà điều hành lưới điện phải đối mặt với thách thức trong việc nâng cấp công suất của các đường dây truyền tải hiện có và đạt được sự chấp thuận của cơ quan quản lý khu vực đối với bất kỳ dự án lưới điện nào. Sự chống đối của các chủ đất do lo ngại về hành lang truyền tải và sự phản đối do chưa biết rõ về tác động lâu dài của trường điện từ gần các đường dây truyền tải.

Những rào cản này ảnh hưởng đến việc thiết kế và xây dựng các đường dây điện trên không và các cột truyền tải, và các nhà điều hành lưới điện đang tìm kiếm các giải pháp để giải quyết những vấn đề này. Một số thách thức đang được giải quyết với việc đưa vào áp dụng các thiết bị tiên tiến để nâng cấp lưới điện. Cải tiến ở đây là việc sử dụng vật cách điện composite, vừa đóng vai trò một vật kết cấu lại vừa là một vật cách điện, trong cái được gọi là xà ngang cách điện composite (CICA) hai chữ V. Công nghệ này nổi lên như một cách tiếp cận mới để giải quyết những thách thức về kỹ thuật và tài chính mà lưới điện luôn thay đổi ngày nay gây ra.

Hình 1. Xà ngang cách điện composite (CICA) bao gồm các vật cách điện dạng cáp, vật cách điện trụ, kết nối khớp nối kim loại, thiết bị che chắn cân bằng điện áp, và chuỗi treo đỡ dây dẫn. CICA thay thế sự kết hợp của “xà ngang truyền thống bằng thép + chuỗi cách điện treo” trong đường dây truyền tải trên không và hoạt động như một giá đỡ cách điện cho dây điện cao áp. Nó có tính năng cách điện và tính năng cơ học tuyệt vời hơn so với các giải pháp truyền thống (Ảnh st)

CICA (Hình 1) có thể được sử dụng trong các dự án đường dây truyền tải trên không mới và hiện có. Xà ngang bằng thép truyền thống và chuỗi cách điện giúp tăng khoảng cách theo phương thẳng đứng (cách điện treo) cũng như khoảng cách theo chiều ngang (xà ngang). CICA hai chữ V cho phép rút gọn kích thước trong đó cụm lắp ráp dạng mođun tích hợp duy nhất của nó (Hình 2) giúp giảm cả khoảng cách theo chiều thẳng đứng và theo chiều ngang.

Hình 2. Hình vẽ này cho phép so sánh CICA hai chữ V với cấu hình xà ngang bằng thép truyền thống (Ảnh st)

Tổng quan về CICA hai chữ V

Cụm lắp ráp hai chữ V thay thế cho chữ V đơn nằm ngang hai chiều, một công nghệ được phát triển từ nhiều thập kỷ trước để thu gọn kích thước nhằm tối ưu hóa hình dạng kích thước cột truyền tải. Tuy nhiên về góc độ thu gọn kích thước thì chữ V đơn vẫn có những hạn chế về độ cứng vững chịu uốn và chịu nén. Cụm lắp ráp hai chữ V đã được phát minh ra để cung cấp tính năng tương tự, với tỷ lệ độ bền trên trọng lượng vượt trội, khả năng đàn hồi để chịu tải trọng va đập (chẳng hạn như trong điều kiện dây dẫn bị đứt) và độ dẻo dai chống chịu phóng điện bề mặt do ô nhiễm trong quá trình sử dụng của vật liệu cách điện cao su silicone composite làm cho chúng trở thành sự lựa chọn phù hợp nhất cho các xà ngang cách điện.

CICA hai chữ V là sự kết hợp của các vật cách điện trụ đường dây composite và các vật cách điện treo, như thể hiện trên Hình 3. Cách điện trụ đường dây composite có chức năng như một giá đỡ dùng cho các tải trọng nén và uốn trong khi cách điện treo hoạt động như một giá đỡ chịu các tải trọng theo chiều thẳng đứng/kéo.

Hình 3. Các thành phần của CICA hai chữ V được trình bày chi tiết trong hình minh họa này (Ảnh st)

Ngoài các thành phần cách điện này, CICA còn có nút kết nối kim loại đầu cuối cao áp (HV), các phụ kiện lắp dây dẫn, phần cứng kết nối phía cột và các linh kiện phân áp trường điện, tất cả đều rút ngắn khoảng cách theo chiều thẳng đứng và theo chiều ngang thường thấy ở các chuỗi cách điện treo truyền thống. CICA hai chữ V là một loại thiết kế từ dòng CICA, nhóm này cũng bao gồm cách điện trụ đường dây, tứ diện và tháp ba chân được giằng cố định/xoay.

Loại thiết kế CICA được quyết định sau khi phân tích các điều kiện vận hành/chịu tải và điều kiện môi trường. Các thành phần của CICA hai chữ V tương tự như dòng CICA còn lại và bao gồm phần lớn của các đường dây truyền tải (<765kV) đang được sử dụng ở Mỹ.

Giải quyết các thách thức kỹ thuật

Cho dù cân nhắc công trình xây mới, nâng cấp điện áp/dòng điện và/hoặc giải quyết các vấn đề về khoảng hở so với đất, CICA hai chữ V cần được coi như một giải pháp cho những thách thức kỹ thuật này. Khi áp dụng giải pháp CICA trong một dự án xây mới, các lợi ích cần cân nhắc bao gồm:

■ Trọng lượng cách điện. Vật cách điện composite có tác động giảm trọng lượng đáng kể so với vật cách điện thông thường. Việc giảm trọng lượng này giúp giảm chi phí liên quan đến kích thước cột và lượng bê tông cần thiết cho móng cột. Giảm thiểu sử dụng lao động và thiết bị trong toàn bộ dự án.

■ Rút gọn kích thước. Vì CICA có thể giảm khoảng hở pha-pha và tăng khoảng hở pha-đất, yêu cầu dễ tiếp cận hành lang đường dây tải điện trở nên đỡ quan ngại hơn, đồng thời giảm tác động tới tầm nhìn của người dân cư đối với các công trình lớn. Ngoài ra, trường điện từ tổng thể quan sát được trên mặt đất giảm xuống trong khi phụ tải trở kháng xung tăng lên.

Đối với nâng cấp điện áp/dòng điện, hãy xem xét:

■ Nâng cấp điện áp. Thay thế các xà ngang truyền thống bằng CICA đồng thời xem xét việc tái sử dụng cột/dây dẫn, có thể nâng cấp điện áp khi các khoảng hở cần thiết từ cách điện đến cấu trúc cột và (các) pha đến mặt đất đáp ứng hoặc vượt quá các yêu cầu thiết kế tiêu chuẩn. Ví dụ, có thể nâng cấp điện áp từ 138kV lên 230kV, hoặc từ 230kV lên 345kV.

■ Nâng cấp dòng điện. Vì CICA làm tăng khoảng cách theo chiều thẳng đứng giữa dây dẫn và mặt đất do loại bỏ cách điện treo trên các thiết kế thông thường, chủ sở hữu công ty điện lực có thể khai thác lợi thế của không gian bổ sung chỗ võng dây. Như đã lưu ý trước đó, CICA là sự kết hợp của dây composite và cách điện treo, mà, khi được thiết kế phù hợp, giới hạn cơ học tăng lên so với thiết kế xà ngang truyền thống, cho phép tùy chọn tăng kích thước dây dẫn.

Về khoảng hở so với đất, hãy xem xét:

■ Khoảng hở so với đất. Tương tự như những lợi ích của việc nâng cấp dòng điện, cách điện treo truyền thống bị loại bỏ, giúp nâng dây dẫn khỏi mặt đất một cách hiệu quả. Nếu không tăng độ võng ban đầu của dây (không điều chỉnh dòng điện hoặc kích thước dây), thì khoảng cách từ dây dẫn so với đất sẽ tăng lên. Sự gia tăng này (hướng tâm và hướng trục) cũng có thể mang lại lợi ích trong các trường hợp đặc biệt như giảm thiểu hỏa hoạn/thảm thực vật, và khoảng cách tới các bề mặt sông hồ.

Hãy cân nhắc áp dụng xà ngang cách điện composite hai chữ V như một cách tiếp cận mới đối với các kỹ sư đường dây truyền tải điện trên không và các nhà điều hành lưới điện của Mỹ, để giải quyết các thách thức kỹ thuật hiện tại và tương lai liên quan đến sự gia tăng phụ tải hàng năm trên lưới điện, và các vấn đề liên quan đến việc kết nối với nhau các nguồn điện mới như điện gió và điện mặt trời.

Biên dịch: Nguyễn Thị Dung

Theo “Powermag”, tháng 3/2022